Unter die Haut geschaut

Nanoanalytik an Beschichtungen

Viele Gegenstände des Alltags und in der Technik besitzen eine Oberflächenvergütung, typischerweise wird eine Beschichtung aufgebracht. Bei der Schichtherstellung treten häufig Defekte auf, die Funktion und Haltbarkeit der Schicht beeinträchtigen. Die Herkunft solcher Defekte lässt sich heute durch moderne Nanoanalytik aufklären.

Trotz der Vielfalt der eingesetzten Materialien ist in nahezu allen Beschichtungsprozessen die Haftung der Schicht auf der gewählten Unterlage problematisch. Verschiedene Prozesse können zum Ablösen der Schicht von der Unterlage führen, meist ist damit früher oder später der Ausfall des entsprechenden Bauteils verbunden. Im zerstörten Zustand lässt sich dann nur noch selten die Ursache für das Haftungsproblem finden. Eine neuere Methode der Nanoanalytik untersucht nun das Haftungsproblem bereits vor dem Ausfall des Werkstücks.

Das Steinbeis-Transferzentrum Nanostrukturen und Festkörperanalytik in Konstanz hat in Zusammenarbeit mit der Firma Oerlikon in Liechtenstein eine optische Mehrlagenbeschichtung untersucht. Nach Aufbringen der optischen Mehrfachschicht, deren Einzelschichten etwa Dicken von 100 nm besitzen, zeigen sich Defekte auf der sonst perfekten Oberfläche der Beschichtung. Aufgabe ist es nun, die Ursache dieser Defekte zu finden.

Unter dem Elektronenmikroskop werden die Defekte lokalisiert, danach wird die Schicht mit einem fokussierten Ionenstrahl (focussed ion beam, FIB) abgetragen und somit aufgeschnitten. Die Abbildung zeigt einen Oberflächenausschnitt mit zwei Defekten. Während sich der linke Defekt in der Aufsicht nur als flacher Hügel verrät, handelt es sich bei dem rechten Defekt um ein aufsitzendes Partikel. In beiden Fällen kann nun ein Schnitt durch den Defekt die genaue Struktur aufklären. Dabei zeigt sich, dass die Partikel bereits vor dem Aufbringen der Schicht auf dem Werkstück waren, da sich in allen Fällen die aufgebrachte Mehrfachschicht auf den Partikeln befindet. Bei dem flachen Defekt findet man einen etwa 200 nm kleinen Kern, der sich auf der Oberfläche des Substrats befand. Wie eine Element-Analyse (EDX) zeigt, handelt es sich um ein Poliermittelpartikel aus Lanthanoxid, das nach der Reinigungsprozedur nicht vollständig entfernt werden konnte.

Dagegen zeigt die Element-Analyse des Inneren des großen Defekts einen Stahlkern. Solche Stahlpartikel könnten noch vom Herstellungsprozess der Vakuumkammern herrühren. Damit hat das lokale Aufschneiden von Schichten mit dem FIB erlaubt, Ursachen für Defekte zu analysieren und entgegenzuwirken.  

Kontakt

Prof. Dr. Günter Schatz
Steinbeis-Transferzentrum Nanostrukturen und Festkörperanalytik (Konstanz)
stz621@stw.de

Prof. Dr. Johannes Boneberg
Matthias Hagner

NEB Nano-Zentrum Euregio Bodensee und Universität Konstanz

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