Titelaufnahme

Titel
Einfluss der Leerstellen auf die Struktur, mechanischen Eigenschaften und die thermische Stabilität von Hf-C und Ta-C Hartstoffschichten / von Héloise Lasfargues
Weitere Titel
Impact of vacancies on structure, mechanical properties and thermal stability of Hf-C and Ta-C thin films
VerfasserLasfargues, Héloise
Begutachter / BegutachterinMayrhofer, Paul Heinz ; Riedl, Helmut
ErschienenWien 2016
Umfangvi, 65 Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Univ., Diplomarbeit, 2016
Anmerkung
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Leerstellen / Übergangsmetallkarbide / UHTC / Gasphasenabscheidung / Dichte Funktional Theorie (DFT)
Schlagwörter (EN)Vacancies / Transition metal carbides / UHTC / Sputter deposition / Density Functional Theory (DFT)
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-5981 Persistent Identifier (URN)
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Einfluss der Leerstellen auf die Struktur, mechanischen Eigenschaften und die thermische Stabilität von Hf-C und Ta-C Hartstoffschichten [19.7 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Übergangsmetallkarbide wie Hf-C oder Ta-C weisen auergewöhnlich hohe mechanische und thermische Stabilität auf, welche sie für den Einsatz in Ultrahochtemperatur Umgebungen (über 2000 C) empfehlen. Aufgrund ihrer eher geringen Duktilität ist die Anwendung in Form von dünnen Schichten überaus interessant. Ein besonderes Merkmal dieser binären Karbide ist die Erhöhung des Schmelzpunktes und somit auch der thermischen Stabilität durch Leerstellen am Kohlenstoffuntergitter. Im Rahmen dieser Studie wurde daher der Effekt von Vakanzen am Nichtmetalluntergitter auf die Eigenschaften von dünnen Schichten mittels Dichte-Funktional-Theorie (DFT) und physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) - nichtreaktives Magnetronsputtern - untersucht. Um den Einfluss der Abscheideparameter auf den Kohlenstoffgehalt sowie die Morphologie der Schichten zu analysieren wurden die Temperatur, das Bias-Potential, oder auch die Plasmadichte für die Compound-Targets, HfC0.89 oder TaC0.97, variiert. Im Fall von TaCy Schichten wurde auch der Effekt von Cosputtering eines reinen Kohlenstofftargets untersucht. Die Erhöhung der Oberflächendiffusion ermöglicht eine gezielte Variation des Kohlenstoffgehalts, wobei bei einer Abscheidetemperatur von 500 C mit steigendem Bias-Potential Zusammensetzungen zwischen HfC0:63 und HfC0.76 bzw. TaC0.58 und TaC0.81 erzielt werden können. Durch die Erhöhung der Temperatur auf 700 C stellen sich im Fall von TaCy Substöchiometrien von y = 0.72 bis 0.80 ein. Durch die zusätzliche Zerstäubung eines Graphit-Targets in Kombination mit dem TaC0.97 Compound ist die Abscheidung einer stöchiometrischen Schicht bei Tdep = 700 C möglich. Alle HfCy und TaCy Schichten weisen eine sehr dichte und glatte Morphologie sowie einphasige, kubisch flächenzentrierte kristalline Phasen auf. Im Fall von TaCy kann die einphasige Struktur erst ab einem Gehalt von y > 0.75 eingestellt werden. Niedrigere Kohlenstoffgehälter führen zur Bildung von geringen Anteilen an hexagonaler Ta2C Phase. Die abgeschiedenen Schichten weisen alle herausragende mechanische Eigenschaften auf, wobei für TaC0.78 ein Maximum mit H = 43.70.65 GPa bzw. E = 553.920GPa festgestellt werden konnte. Durch den Abscheideprozess können Druckspannungen bis zu 9 GPa in die Schichten eingebracht werden. Hinsichtlich der thermischen Stabilität zeigen DFT-Berechnungen die Stabilisierung von unterstöchiometrischen Verbindungen bei hohen Temperaturen, wobei sich bei TaCy ein höherer Leerstellengehalt als bei HfCy einstellt. Die theoretischen Vorhersagen konnten durch experimentelle Wärmebehandlungen in inerter Atmosphäre bis zu 2400 C bestätigt werden. HfCy Schichten zeigen keine Phasenumwandlungen oder Massenverluste (besonders am Kohlenstoffuntergitter) bis 2400 C. In den TaCy Schichten kommt es teilweise zur weiteren Bildung der hexagonalen Ta2C Phase durch die Umwandlung von kubischen Kristalliten ab 1625 C, sowie zu einer Stabilisierung des Leerstellen Gehalts in der kubischen Phase.

Zusammenfassung (Englisch)

Transition metal carbides are known for their exceptional thermal stability and mechanical properties, notably governed by the carbon content and the prevalent vacancies on the nonmetallic sublattice. We study this influence in detail by ab initio calculations and experiments for HfCy and TaCy thin films. Using HfC0.89 or TaC0.97 targets and non-reactive magnetron sputtering in Ar atmosphere, chemical compositions between HfC0.63 and HfC0.76 as well as TaC0.58 and TaC0.81 are achieved, for 500 C substrate temperature and varying the bias potential between floating and -100V, respectively. Increasing the substrate temperature to 700 C, leads to variations from TaC0.72 to TaC0.80. By co-sputtering a graphite target, stoichiometric TaC coatings are prepared. All HfCy films are single-phase face-centered cubic, whereas the TaCy films with C/Ta ratios below 0.75 also contain a small fraction of hexagonal Ta2C phase. The amount of vacancies on the carbon sublattice of these crystalline defected structures is therefore controlled through enhanced surface diffusion adjusted by deposition arameters. The columnar thin films, withstanding residual stresses up to 9 GPa, show exceptional mechanical properties. The highest hardness and indentation modulus among all the coatings studied is obtained for TaC0.78 with a hardness value of 43.70.65 GPa as well as indentation modulus of 553.920 GPa. Ab initio calculations predict a temperature driven stabilization of defected structures at high temperatures, with fewer vacancies on the C sublattice for Hf-C than Ta-C. The defected fcc-HfCy films are completely stable up to 2400 C and keep their initial composition. Phase modification occurs in the case of TaCy at 1625 C; depending on the mean initial carbon content and the stoichiometry distribution of the fcc-crystallites, further hexagonal Ta2C and stable fcc-grains with a defined y value are formed for TaCy thin films. The results obtained show concretely the promising possibility to utilize HfCy and TaCy as coating materials for applications in UHT environments. In general, it gives further insight in the development of transition metal carbides coatings using magnetron sputtering from compound targets and the inflence of vacancies on the superior thermomechanical properties. Designing properties by tuning the carbon and hence vacancy content could be proven both theoretically and experimentally, and is supposed to be a strong design tool in TMC thin films.