Skalierung der Steifigkeit von dünnen Filmen mittels Laser-Interferenz-Metallurgie

Die Motivation zu dieser Arbeit beruht auf einem 2000 von Ingomar Jäger und Peter Fratzl aufgestellten Modell zur Erklärung des mechanischen Verhaltens von Knochen. In diesem Modell werden gestaffelte Mineralkristalle in einer Collagenmatrix als kleinstes Strukturelement mechanisch modelliert. Entwickelt man dieses Modell weiter auf periodische Strukturen unterschiedlicher aber dennoch ähnlicher Steifigkeit in kompositären Oberflächen und dünnen Filmen, so sagt es voraus, dass die resultierende makroskopische Steifigkeit als eine Funktion der Strukturperiode – nach dem Prinzip kleiner ist steifer – skaliert. Dieses Phänomen wird quantitativ untersucht. In der vorliegenden Arbeit wird die Laser-Interferenz-Metallurgie als Möglichkeit zur mikroskopisch periodischen metallurgischen Behandlung von dünnen Filmen und damit auch Oberflächen und Beschichtungen vorgestellt. Die periodische metallurgische Behandlung wird simuliert und analysiert. Es wird gezeigt, dass diese Behandlung die Gefügestruktur periodisch manipulieren kann. So werden die Textur, der Eigenspannungszustand, die Korngröße und die Phasenbildung durch die Laser-Interferenz-Metallurgie periodisch verändert. Diese kontrollierten Veränderungen im Film bewirken eine periodische Modulation der mechanischen Eigenschaften, die hier durch den reduzierten elastischen Modul und durch die Nanohärte – beides mittels nanoindentierender Rasterkraftmikroskopie gemessen – repräsentiert sind. Mittels der 1989 von William Nix eingeführten Substrat-Krümmungsmethode, die auf der Stoney-Gleichung beruht, werden die durch die Laser-Interferenz-Metallurgie resultierenden makroskopischen Effekte untersucht. Zum ersten haben die mikroskopisch modulierten mechanischen Eigenschaften des gebildeten Komposits einen makroskopischen Effekt, der sich in der Versteifung des Filmes ausdrückt. Zum zweiten wird gezeigt, dass mittels der Periode der Laser-Interferenz-Metallurgie die Steifigkeit des Films entsprechend dem oben genannten Modell skalierbar ist und somit angepasst werden kann.