Niedrige Reibung in metallischen Multilagen entsteht durch Bildung einer scherinduzierten Legierung

19.4.2019

© Fraunhofer IWM

Goldkonzentration in Falschfarben (rot = hohe Konzentration) in einer scherbeanspruchten AuNi Multilagenprobe mit 50 nm Lagendicke.

Ebru Cihan, Dr. Heike Störmer, Dr. Harald Leiste, Dr. Michael Stüber, Prof. Martin Dienwiebel

Mit Reibexperimenten unter definierten UHV-Bedingungen konnte gezeigt werden, dass die individuelle Schichtdicke von Au-Ni-Mehrlagensystemen einen starken Einfluss auf die resultierende Reibungskraft hat. Un den Einfluss der initialen Mikrostruktur auf die Reibung zu untersuchen, wurden Gold und Nickellagen über Magnetronsputterdeposition auf einem Siliziumwafer so abgeschieden, dass die individuelle Lagendicke zunahm aber die Gesamtdicke der Multischicht konstant blieb. Mit einem selbstgebauten Mikrotribometer wurde eine Rubinkugel reversierend über die Multilagenschichten gerieben.  Bei sehr kleinen Schichtdicken von 10 und 20 nm ändert sich der Verformungsmechanismus nahe der Oberfläche und es wurde zum ersten Mal die Bildung einer scherinduzierten metastabilen Gold-Nickel-Legierung beobachtet. Das Auftreten dieser Phase an der Oberfläche korrespondiert mit den niedrigsten beobachteten Reibungskräften. Ein möglicher Weg zur Entstehung der neuen Phase ist die anfängliche Bildung von ultrafeinen Körnern und folglich führte die Scherdeformation entlang der Korngrenzen und Kornrotation. Dabei  werden die Gold- und Nickellagen vollständig durchmischt. Bei der Erhöhung der Schichtdicke des Multilagensystems auf über 50 nm wird stattdessen eine teilweise mechanisch durchmischte, Au-reiche Schicht gebildet. Bei einer weiteren Erhöhung der Lagendicke ist interessanterweise keine mechanische Vermischung zu beobachten, es kommt stattdessen zu einer Verdünnung der obersten Au-Schicht durch Pflügen und Ansammeln von Material am Ende der Verschleißspur. Die durch Versetzungen erzeugte Verformung bestimmt die  Reibung und führt zu den höchsten beobachteten Reibwerten. Die drei beobachteten Reibregimes lassen sich somit ganz klar dem auftretenden Reibwert zuordnen.

E. Cihan et al., Sci. Rep.,2019 in Begutachtung

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