Ab initio guided design of thin film model systems for FeMn based steels

Herrig, Friederike; Schneider, Jochen M.; Mitterer, Christian

doi:39106

Ab initio guided design of thin film model systems for FeMn based steels = Ab initio geführtes Design von Dünnschichtmodellsystemen für FeMn-basierte Stähle

Herrig, Friederike^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M. Sc. RWTH Friederike Herrig

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 74 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Mitterer, Christian (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-05-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-02763
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/784830/files/784830.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FeMn (frei) ; ab initio (frei) ; thin film (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das quantenmechanisch geführte Design neuer Klassen von Strukturwerkstoffen erfordert das grundlegende Verständnis der vorherrschenden physikalischen Mechanismen. Dieses kann mit Hilfe von Dünnschicht-Modellsystemen sowie deren kritischem Abgleich mit ab initio Berechnungen erlangt werden. In dieser Arbeit wird das Konzept der einlagigen Modellsysteme für einphasige Werkstoffe weiterentwickelt zu mehrlagigen Modellsysteme für mehrphasige Werkstoffe. Deren Multilagen sollen durch flache (zweidimensionale) Grenzflächen begrenzt sein, um eine systematische Untersuchung der grenzflächendominierten Eigenschaften zu ermöglichen, die zum Beispiel die mechanischen Eigenschaften austenitischer (kubisch-flächenzentrierte, kfz, Fm3 ̅m) FeMn-Stähle mit Sekundärphasen wie Einschlüsse von κ (Fe,Mn)3AlC (Pm3 ̅m) oder ferritischen (kubisch raumzentriert, krz, Im3 ̅m) Phasenanteilen beeinflussen. Obwohl die Bildung nanostrukturierter κ (Fe,Mn)3AlC-Einschlüsse Kohärenzspannungen in ihren austenitischen Fe-Mn-Al-C Matrizen verursacht und damit sowohl Festigkeit als auch Duktilität des Werkstoffes beeinflusst, wurde die Zusammensetzungs- und Spannungsabhängigkeit der elastischen Eigenschaften von κ (Fe,Mn)3AlC bisher nicht systematisch untersucht. Daher wird zunächst ein einlagiges Dünnschichtmodellsystem auf Basis der Materialkombination Fe-Mn-Al-C entwickelt, mit dessen Hilfe theoretische Vorhersagen über den Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Spannung auf die elastischen Eigenschaften von κ (Fe,Mn)3AlC experimentell überprüft werden können. Die rechnerisch vorhergesagte Abnahme des Elastizitätsmoduls um 49 bzw. 64 GPa unter C- bzw. Al-Leerstellenbildung wird so experimentell verifiziert und kann durch eine Abschwächung der durchschnittlichen Bindungsenergie auf Grund der Leerstellenbildung erklärt werden. Eine berechnete Zunahme des Elastizitätsmoduls um bis zu 33 GPa aufgrund von 2 GPa Kompressionsspannung wird ebenfalls experimentell bekräftigt und kann über druckinduzierte Bindungsstärkung verstanden werden. Für die Umsetzung der mehrlagigen Modellsysteme sind glatte Dünnschichten unabdingbar, die definierte, scharfe Grenzflächen zur angrenzenden Lage ermöglichen. Die Kathodenzerstäubungs-Beschichtung von FeMn-Dünnschichten mit Dicken im Bereich von (mehreren) hundert Nanometern auf unelastischen, oxidischen Substraten erfordert relativ hohe Abscheidungstemperaturen für die Bildung der kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase, woraus eine hohe Rauheit der Dünnschicht resultiert. Damit ist die bisher etablierte Dünnschichtsynthesemethode ungeeignet für die Realisierung scharfer Grenzflächen und verhindert damit die Umsetzung der mehrlagigen Modellsysteme für mehrphasige Materialien. Dies wird anhand einer mehrlagigen Dünnschicht aus sich abwechselnden Fe- und FeMn-Lagen gezeigt, die bei ~ 370 °C abgeschieden wurde und eine facettierte, raue Mikrostruktur aufweist. In den FeMn-Lagen wird eine inhomogene Mn-Verteilung und die Bildung einer komplex-krz Mn-Phase beobachtet. Als physikalische Ursache für die beobachtete Mikrostruktur werden unter anderem Oberflächendiffusion und Korngrenzenwanderung diskutiert. Ein erstelltes Fe-Mn Phasenbildungsdiagramm zeigt, dass die Bildung der kfz Phase relativ hohe Abscheidungstemperaturen (> 360 °C) benötigt, was wiederum zur unerwünschten Kornvergröberung führt, die für die hohe Oberflächenrauheit ursächlich ist. Eine deutliche Verringerung der Abscheidungstemperatur ist nötig, um die Rauheit der Dünnschicht signifikant zu reduzieren, erlaubt jedoch nicht die Beibehaltung der kfz Struktur der FeMn-Dünnschicht. Durch die Unterdrückung der Oberflächendiffusion und das Auslösen von Faser-Wachstum kann somit sowohl die Mikrostruktur und damit Rauheit der Dünnschicht, aber auch deren Phasenbildung beeinflusst werden. Alternativ zur bisher etablierten Synthesemethode der kfz FeMn-Dünnschichten wird im Folgenden eine Niedrigtemperatur-Synthesestrategie entwickelt. Diese basiert auf dem lokal epitaktischen Wachstum einer 100 nm dicken kfz FeMn Schicht sowie einer Cu-Nukleationslage auf einem α Al2O3 Substrat bei 160 °C und ermöglicht die Abscheidung von Schichten mit geringen Rauheitswerten Ra von ~ 0,6 nm und damit in der Größenordnung des ursprünglichen Substrats (~ 0,1 nm). Die Synthesestrategie wird von ab initio Berechnungen abgeleitet, die auf eine sehr starke Grenzflächenbindung zwischen Cu-Nukleationslage und α Al2O3-Substrat (Separationsarbeit von 5,48 J/m2), verursacht durch die hohe Cu-Koordinationszahl an der Grenzfläche, sowie zwischen kfz FeMn und Cu (3,45 J/m2) hinweisen. Einhergehend mit einer geringen Kristallgitter-Fehlpassung ermöglicht die hohe Grenzflächenbindung zwischen diesen Strukturen das lokal epitaktische Wachstum glatter, kfz FeMn-Dünnschichten. Die vorgestellte Synthesestrategie stellt somit die Basis für eine sinnvolle Umsetzung der kfz FeMn-basierten Dünnschichtmodellsysteme für Materialien mit grenzflächendominierten Eigenschaften wie den anfangs genannten FeMn-Stählen mit κ (Fe,Mn)3AlC-Einschlüssen oder anderen Sekundärphasen dar.

The quantum mechanically guided design of new classes of structural materials requires the fundamental understanding of the dominant physical mechanisms, into which thin film model systems and their critical appraisal by ab initio calculations can provide insight. In this work, the concept of single-layer model systems for single-phase materials is evolved towards multi-layer model systems for multi-phase materials. The multi-layers should be separated by flat (two-dimensional) interfaces in order to enable a systematic evaluation of interface dominated properties that determine, for instance, the mechanical properties of austenitic (face-centered cubic, fcc, Fm3 ̅m) FeMn steel containing secondary phases like κ (Fe,Mn)3AlC (Pm3 ̅m) precipitates or ferritic (body-centered cubic, bcc, Im3 ̅m) phase fractions. Although the formation of nanosized κ precipitates in austenitic Fe-Mn-Al-C matrices causes coherency strains and affects both strength and ductility, the composition and stress dependence of the elastic properties has not been studied systematically for κ (Fe,Mn)3AlC. Thus, a single-layer thin film model system of the material combination Fe-Mn-Al-C is developed to critically appraise ab initio predications of the chemical composition and stress dependence of the elastic properties of κ (Fe,Mn)3AlC by experiments. An elastic modulus decrease of 49 and 64 GPa upon C- and Al-vacancy formation, respectively, was predicted and experimentally verified and is caused by concomitant weakening in average bond energy. The predicted increase of up to 33 GPa in elastic modulus due to the presence of 2 GPa compressive stress was corroborated experimentally and can be understood by pressure induced bond strengthening. For the realization of the multi-layer model systems, smooth thin films offering defined, sharp interfaces to adjacent layers are mandatory. The formerly established synthesis route for FeMn based model systems on rigid oxide substrates requires relatively high deposition temperatures for the fcc phase formation, which is accompanied by high thin film roughness. It is shown that the sputter deposition of fcc FeMn thin films at relatively high deposition temperatures is not suitable for the realization of sharp interfaces and thus the implementation in multi-layer model systems. A multi-layer thin film consisting of alternating Fe- and FeMn-layers deposited at ~ 370 °C exhibits a faceted and rough microstructure as well as an inhomogeneous Mn distribution and the formation of complex-bcc Mn within the fcc FeMn layers. Surface diffusion and grain boundary migration are, inter alia, discussed as causative physical mechanisms for the observed microstructural evolution. A compiled Fe-Mn phase formation diagram indicates that fcc phase formation requires relatively high deposition temperatures (~ 460 °C), which in turn leads to the undesired grain coarsening responsible for a high surface roughness. A severe reduction of the deposition temperature would be necessary to significantly reduce the thin film roughness, but does not allow to maintain the fcc structure of the FeMn thin film. It is proposed that the microstructure and thus the roughness of the thin film as well as the phase formation can be adjusted by suppressing surface diffusion and triggering fiber growth. As an alternative to the previously established synthesis route for fcc FeMn thin films, a low temperature synthesis strategy - based on local epitaxial growth of a 100 nm thick fcc FeMn film as well as a Cu nucleation layer on an α Al2O3 substrate at 160 °C - enables roughness values Ra as low as ~ 0.6 nm, which is in the same order of magnitude as the pristine substrate (~ 0.1 nm). The synthesis strategy is guided by ab initio calculations, indicating very strong interfacial bonding of the Cu nucleation layer to the α Al2O3 substrate (work of separation 5.48 J/m2), which can be understood based on the high Cu coordination at the interface, and between fcc FeMn and Cu (3.45 J/m2). Accompanied by small lattice misfits between these structures, the strong interfacial bonding is proposed to enable the epitaxial growth of a smooth fcc FeMn thin film. Based on the here introduced synthesis strategy, the implementation of fcc FeMn based thin film model systems for materials with interface dominated properties, such as FeMn steels containing κ (Fe,Mn)3AlC precipitates or secondary phases mentioned at the beginning, appears meaningful.

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