Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel atomar glatter Oberflächen gelöst

02.09.2005


Die raue Schicht im Vordergrund wurde mit 4000 Kohlenstoffatomen beschossen. Die geglättete Schicht ist im Hintergrund zu sehen.


Die Glattheit von Beschichtungen ist Voraussetzung für verminderte Reibung und Verschleißschutz. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und der Universität Karlsruhe erklären zusammen mit Kollegen der Universität Cambridge im Magazin Science (Vol. 309, Nr. 5740 vom 2. September 2005), wie diamantähnliche dünne Kohlenstoffschichten wachsen und warum diese fast atomar glatt sind. Das Modell zur Entstehung der Oberfläche im atomaren Maßstab widerlegt bisherige Erklärungsversuche. Das Ziel ist, Beschichtungen in ihrer Oberflächenbeschaffenheit für beliebige tribologische Anwendungen maßzuschneidern.


Ohne sie würden Festplatten in PCs nicht funktionieren, Wälz- oder Gleitlager würden schneller verschleißen, Dichtungen würden undicht: Diamantähnliche Kohlenstoffschichten haben einen geringen Reibwert und einen hohen Verschleißwiderstand. Dies sind ideale Ausgangsbedingungen für sich gegeneinander bewegende Bauteile, wie sie im Maschinenbau, im Rennsport oder der Mikroelektronik vorkommen.

Hergestellt aus gewöhnlichem Kohlenstoff bestimmt die Anordnung der einzelnen Atome in der Schicht deren Eigenschaften. Das spezifische Schichtdesign basiert bisher auf Erfahrungswerten und vielen Experimenten.


Welche Rolle die Glätte von Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff spielt, lässt sich an Computerfestplatten verdeutlichen. Der Lesekopf gleitet mit einem Abstand von wenigen Nanometern über den Magnetspeicher. Dazwischen befinden sich ein hauchdünner Schmierfilm und eine den Magnetspeicher schützende Kohlenstoffschicht. Rauigkeiten in der Kohlenstoffschicht würden die Qualität der Festplatte beeinträchtigen. Mit zunehmender Datendichte gilt es den Abstand zwischen Lesekopf und Datenspeicher noch weiter zu verringern. In Anbetracht der geforderten Präzision, zählt hier jede Atomlage.

"Um Schichten für solche und andere Anwendungen in ihrem Aufbau optimieren und gezielt einstellen zu können, wollen die Entwickler und Hersteller der Schichten verstehen, auf welche Weise sich die Atome auf der Oberfläche abscheiden und wie die Schicht wächst", beschreibt Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM die Herausforderung.

Erklärungsversuche für die Glattheit der Schichten gingen bisher von einem kurzzeitigen lokalen Aufschmelzen aus. Mit molekulardynamischen Simulationen und Experimenten hat eine Wissenschaftlergruppe um Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, Peter Gumbsch von der Universität Karlsruhe und um Andrea Ferrari und John Robertson von der Universität Cambridge nachgewiesen, dass dieses Erklärungsmodell nicht haltbar ist.

Im Magazin Science vom 2. September 2005 (Vol. 309, Nr. 5740) stellen die Wissenschaftler das neue Konzept für die Entstehung fast atomar glatter diamantähnlicher Kohlenstoffschichten vor.

Beim Beschichtungsprozess entstehen demnach wie beim Schütten von Sand auf eine Oberfläche an vielen Stellen kleine Erhebungen. Treffen nun die Kohlenstoffatome auf die Hänge dieser Unebenheiten, so werden diese wie beim Laufen über ein Geröllfeld nach unten getrieben. Es kommt zu einer Erosion im atomaren Maßstab, die zur viel zitierten extremen Glätte führt. "Was hier einfach klingen mag, ist für die Beschichtung von hoher Bedeutung" betont Peter Gumbsch von der Universität Karlsruhe, "Die Prozessfenster, in denen die gewünschte Oberflächenstruktur erreicht werden kann, können mit den neuen Simulationsmöglichkeiten wesentlich besser vorhergesagt werden".

Die mathematische Beschreibung der Entstehung und des Wachstums diamantähnlicher Kohlenstoffschichten macht nun den Weg frei für das virtuelle Design von Oberflächenstrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. "Denn jetzt, wo wir die Glätte beherrschen, können wir auch gezielt Strukturierungen einstellen. Damit sind wir dem gezielten Design von Tribosystemen und der damit verbundenen möglichen Reibminderung und Energieeinsparung ein gutes Stück näher gekommen", so Moseler.

Thomas Götz | idw
Weitere Informationen:
http://www.iwm.fraunhofer.de/

Weitere Berichte zu: Beschichtung Kohlenstoffschicht Schicht

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Wie wirksam sind Haftvermittler? Fraunhofer nutzt Flüssigkeitschromatographie zur Charakterisierung
17.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Dem Lichtstrahl auf die Sprünge geholfen
21.07.2016 | SCHOTT AG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz