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Autor(en): Prskalo, Alen-Pilip
Titel: Molecular dynamics simulations of Si, SiC and Si3N4 layered systems
Sonstige Titel: Molekulardynamische Simulationen von Si-, SiC- und Si3N4-Schichtsystemen
Erscheinungsdatum: 2013
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-83541
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/2130
http://dx.doi.org/10.18419/opus-2113
Zusammenfassung: Experimental and empirical work in the field of nano-scale, functional multilayer coatings produced by physical (PVD) or chemical (CVD) vapor deposition are currently an object of international research. The research results have already been implemented in industrial products, however, the atomistic understanding of the underlying processes during deposition of these multilayer systems is still incomplete. In particular the correlation between the deposition parameters and the resulting coating structure needs further attention. To overcome the heuristic stage of the coating development and to facilitate targeted and efficient optimization of the coating structure and the resulting mechanical properties, a deeper understanding of the correlation between the substrate temperature, deposition rate and energy onto the growing coating structure is necessary. The same holds for the structure-properties correlation of these systems with a large number of interfaces as well as for the mechanical properties of individual layers. The aim of this work is the combination and mutual validation of modern molecular dynamics simulations (MD) with experimental methods of physical vapor deposition of silicon and silicon-based SiC- and Si3N4-protective coatings. This was done within the framework of the research project "Molecular dynamics modeling and validation of manufacturing and structure-property correlations of SiC/SiN nano laminates" funded by the German Research Foundation (DFG) and in a collaboration between the Institute for Materials Testing, Materials Science and Strength of Materials (IMWF) at the University of Stuttgart and the Institute for Applied Materials - Applied Materials Physics (IAM-AWP) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). While molecular dynamics simulations were performed at the IMWF, experimental investigations took place at the IAM-AWP. Hereby, the results of MD studies served as input parameters for experimental investigations. In this way, time-consuming and expensive experimental investigations could be avoided, since only optimistic simulation predictions had to be verified experimentally. In return, the group at the IAM-AWP delivered experimental results which were used to validate the simulation model. In general, each experimental study was also represented by a MD simulation. Hence, the entire process of the coating deposition and characterization can be divided into three distinct stages: - Simulation and experimental investigation of the sputtering process of Si, SiC and Si3N4. - Simulation und experimental investigation of the deposition process of silicon substrates by Si, SiC and Si3N4. - Simulations and experimental characterisation of the correlation between the structure and properties of the deposited silicon and silicon-based SiC- and Si3N4- protective coatings.
Experimentell-empirische Arbeiten im Bereich nanoskaliger, funktioneller Multilagenschichten, die mittels physikalischer (PVD) oder chemischer (CVD) Gasphasenabscheidung hergestellt werden, sind derzeit internationaler Forschungsgegenstand. Die erzielten Forschungsergebnisse sind bereits vielfach in industrielle Produkte umgesetzt worden. Dennoch ist das atomistische Verständnis von Prozessen, die sich bei der Abscheidung solcher Schichtsystemen abspielen, weitgehend lückenhaft. Dies trifft insbesondere auf die Korrelation zwischen den Abscheideparametern und der resultierenden Schichtstruktur zu. Um das heuristische Stadium der Beschichtungsentwicklung zu verlassen und eine gezielte und effiziente Optimierung der Schichtstruktur zu ermöglichen, ist ein tieferes Verständnis der Korrelation zwischen der Substrattemperatur, der Abscheiderate und -energie und der daraus resultierenden Schichtstruktur mit hohem Grenzflächenanteil sowie den sich einstellenden mechanischen Eigenschaften erforderlich. Ziel dieser Arbeit ist es, moderne Molekulardynamiksimulationen (MD) und experimentelle Methoden der physikalischen Gasphasenabscheidung von Silizium und siliziumbasierten SiC- und Si3N4-Schutzschichten miteinander zu kombinieren und gegenseitig zu validieren. Dies geschah im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes "Molekulardynamische Modellierung und Validierung der Herstellung und der Struktur-Eigenschafts-Korrelationen von SiC/SiN-Nanolaminaten", in einer Zusammenarbeit des Instituts für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre (IMWF) der Universität Stuttgart mit dem Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Werkstoffphysik (IAM-AWP) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Die Zusammenarbeit der beiden Institute wurde so gestaltet, dass die Arbeitsgruppe am IMWF molekulardynamische Simulationen durchführte, während am IAM-AWP experimentelle Untersuchungen stattfanden. Die Ergebnisse der MD-Studien dienten als Eingabeparameter für die experimentellen Untersuchungen. Auf diese Weise konnten zeit- und kostenaufwendige Untersuchungen vermieden werden, da nur simulationstechnisch optimistische Voraussagen experimentell umgesetzt wurden. Im Gegenzug lieferte die Arbeitsgruppe am IAM-AWP experimentell relevante Ergebnisse, die zur Validierung des Simulationsmodells dienten. Jede experimentelle Untersuchung wurde auch simulationstechnisch umgesetzt. Das gesamte Arbeitspaket lässt sich somit in drei Einzelpakete aufteilen: - Simulation und experimentelle Umsetzung des Zerstäubungsprozesses von Si, SiC und Si3N4. - Simulation und experimentelle Umsetzung des Beschichtungsprozesses von Siliziumsubstraten mit Si, SiC und Si3N4. - Simulationstechnische und experimentelle Charakterisierung der Struktur Eigenschaften-Korrelationen von abgeschiedenen Silizium- und siliziumbasierten SiC- und Si3N4-Schutzschichten. Eine besondere Bedeutung wurde der Analyse von Eigenspannungen und der Messung der Härte mittels Nanoindentation an den Schichtsystemen beigemessen.
Enthalten in den Sammlungen:04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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