Einem Team rund um Michael Meindlhumer ist es gelungen, ihre neueste Arbeit über die Grundlagen der Kontaktmechanik und den Einfluss von Grenzflächen auf das Versagensverhalten von Dünnschichten unter realistischen Belastungsbedingungen in der renommierten Nature-Fachzeitschrift ‚Communications Materials‘ zu veröffentlichen. Die Publikation „How Interfaces Limit Nanoscale Stress Concentrations and Prevent Catastrophic Failure in Single-Asperity Contacts“ betrachtet erstmals experimentell die Spannungskonzentrationen, die entlang der beiden Seiten des Kontakts mit einer einzelnen Rauheitsspitze entstehen. Zusätzlich wurde der Einfluss von Grenzflächen auf das Verformungsverhalten der belasteten Dünnschichten untersucht.
Dazu wurden zwei in situ Indentationsexperimente an der ID13 Nanofocus Beamline der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) mit einer räumlichen Auflösung von 80 nm durchgeführt. Um den Einfluss der Spannungskonzentrationen sowohl im Indenter als auch in der Probe untersuchen zu können, wurde die Indenterspitze mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) mit nanokristallinem Diamant beschichtet. Dadurch verwandelt man die Indenterspitze in eine nanomechanische Sonde, mit der man die Spannungskonzentration im Kontakt mit der Probe mit einer Auflösung im Nanometerbereich untersuchen kann.
Mit dieser modifizierten Indenterspitze wurden zwei Dünnschichsysteme auf ZrN-Basis belastet. Einerseits eine monolithische ZrN Schicht, andererseits eine mehrlagige Schicht, bei der das keramische ZrN durch drei 20 nm dünne Lagen von ZrCu, einem metallischen Glas, unterbrochen wird. Der besonders interessante Aspekt dieser Schichten ist, dass mittels konventioneller mikromechanischer Testmethoden die gleichen mechanischen Eigenschaften bestimmt wurden.
Im in situ Experiment reduzieren die ZrCu Zwischenlagen die Spannungskonzentrationen unter Belastung durch die Indenterspitze im Vergleich mit der monolithischen Schicht um bis zu 30% und verhindern das katastrophale Versagen der ZrN-basierten Multilagen-Dünnschicht. Während der Verformung wird ein Drittel der gespeicherten elastischen Energie durch plastische Verformung des ZrCu dissipiert, was Risswachstum über die Grenzfläche von Schicht und Substrat verhindert.
Die grundlegenden Erkenntnisse dieser Arbeit haben potentiell großen Einfluss auf das Design von modernen, technologisch relevanten Dünnschichten, da sie ein besseres Verständnis des Verhaltens von Multilagenschichten unter realistischen Belastungssituationen ermöglichen.
Permanenter Link zur Arbeit: https://doi.org/10.1038/s43246-026-01239-1
Bild: In (a) ist eine schematische Darstellung des in situ Experiments zu sehen. In (b) sind die horizontalen Spannungskonzentrationen dargestellt, die mit der beschichteten Diamantspitze im Kontakt mit dem mehrlagigen ZrN-ZrCu (links) und dem einlagigen ZrN (rechts) bei maximaler Belastung ermittelt wurden.
