Effects of microstructure modification induced by laser interference patterning of thin films

Abstract

Manipulating a material’s microstructure to obtain the desired property at the desired place is one of the most important challenges in Materials Science. Since physical and chemical properties of metals are strongly correlated to their microstructure, its precise tailoring is of the highest interest. Laser Interference Patterning has been developed to locally modify the microstructure as well as the mechanical, electrical, optical and tribological properties of materials with a periodic distribution. This technique is exploited here in order to study: i) the design of advanced architectures via local melting and resolidification processes, ii) the morphological, microstructural and thermal evolution of the obtained longrange ordered architectures, iii) the enhancement of the film conductivity and the friction coefficient for technical applications. The investigations were carried out on two relevant thin film systems: pure metallic films and thin films of nitride and oxide matrices with embedded metallic particles. Microstructural influences of the irradiation method within the fabricated periodic arrays were systematically investigated. Focus was kept on localized microstructure relocation, chemical decomposition or segregation of nanoparticles. Additionally, the physical (hardness, electrical resistivity, friction coefficient) and chemical (etching capacity) properties of the modified systems were thoroughly evaluated and compared with unstructured systems.

Physikalische und chemische Eigenschaften vonWerkstoffen hängen stark von deren Mikrostruktur ab. Eine kontrollierte Veränderung des Gefügezustands ist daher bei der Entwicklung moderner Materialien von höchstem Interesse. Eine der größten Herausforderungen der Materialwissenschaft ist jedoch die Mikrostruktur von Materialien so zu manipulieren, dass man die richtige Eigenschaft an der richtigen Stelle erhält. Laser-Interferenz-Metallurgie wurde daher entwickelt, um die Mikrostruktur und daraus folgend auch die mechanischen, elektrischen, optischen und tribologischen Eigenschaften von Materialien in periodischen Abständen gezielt zu modifizieren. In dieser Arbeit wird diese Technik verwendet, um Folgendes zu untersuchen: i) das Design von verbesserten Strukturen durch lokales Aufschmelzen und Wiedererstarren, ii) die Morphologie, Mikrostruktur und thermische Entwicklung von den auf diese Weise hergestellten, ferngeordneten Strukturen, iii) die Verbesserung der Leitfähigkeit und des Reibungskoeffizienten von Dünnschichten, um deren technische Anwendbarkeit zu verbessern. Die Untersuchungen wurden an zwei relevanten Dünnschicht-Systemen durchgeführt: an Dünnschichten aus reinem Metall, sowie an Dünnschichten auf Nitridund Oxid-Basis, in welche Metallpartikel eingelagert sind. Die Einflüsse der Laser-Bestrahlung auf die Mikrostruktur in den periodisch strukturierten Oberflächen wurden systematisch untersucht. Dabei wurde Augenmerk auf die lokale mikrostrukturelle Neuverteilung, die chemische Zersetzung und die Segregation von Nanopartikeln gelegt. Zusätzlich wurden die physikalischen (Härte, elektrische Leitfähigkeit, Reibkoeffizient) und chemischen (Ätzbarkeit) Eigenschaften von den modifizierten Systemen genau untersucht und mit denen der unstrukturierten Systemen verglichen.