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News: Eine verschleißfreie Diamantenschicht

Schichten aus Diamant sind ein hochwertiger Schutz für stark beanspruchte Werkzeuge und Oberflächen. Doch beim üblichen Verfahren steht die Schicht unter hohen Spannungen, weshalb sie nicht auf jedes Material aufgetragen werden kann und leicht abplatzt. Mit moderner Lasertechnik lassen sich nun spannungsfreie Lagen aufbringen und deren Eigenschaften gezielt bestimmen.
Ein Wissenschaftlerteam der Sandia National Laboratories hat eine einfache, kostengünstige Methode entwickelt, um die üblichen internen Spannungen bei amorphen (nichtkristallinen) Diamantenfilmen zu vermindern (Applied Physics Letters vom 29. Dezember 1997 und Journal of Electronic Materials vom September 1997). Damit lassen sich möglicherweise Metallwerkzeuge, Autoteile und sogar Plastikteile, die zum Beispiel in biomedizinischen Apparaten eingesetzt werden, besser vor Abnutzung schützen und ihre Lebensdauer verlängern.

Der Gebrauch von Diamanten als hartem, verschleißfestem Material läßt sich zumindest in die Zeit von Plinius dem Älteren im antiken Rom zurückverfolgen, der Bruchstücke von Diamanten als Werkzeuge benutzte. In seiner Novelle 2061: Odyssey Three prophezeite der Schriftsteller Arthur C. Clarke, daß es in weniger als einem Jahrhundert nichts Außergewöhnliches sein werde, Gebäude durch Diamantschichten gegen Wetterschäden zu schützen. Die Forscher sehen ihre Entdeckung als einen ersten Schritt auf dem Weg zur alltäglichen Anwendung von Diamantschichten.

Üblicherweise stehen amorphe Diamantfilme unter sehr hoher Druckspannung, die in der Schichtebene etwa 70 000 Atmosphären beträgt. Dies hat zur Folge, daß der Film vom Untergrund abblättert, wodurch die mögliche Dicke begrenzt wird. Außerdem ist es unmöglich, großflächige, freistehende Membranen – Schichten ohne Trägersubstrat – zu erzeugen, die als transparente Fenster für Röntgenstrahlen oder Elektronenoptik dienen könnten.
Kristalline Diamantenschichten lagern sich dagegen erst bei hohen Temperaturen ab und besitzen sehr rauhe Oberflächen.

Die neue Methode ermöglicht es jetzt, spannungsfreie amorphe Diamantenfilme zu produzieren, die fast so hart wie kristalline Schichten sind. Zudem zerfallen sie nicht bereits bei 200 Grad Celsius wie herkömmliche amorphe Filme, sondern überstehen auch Temperaturen bis 800 Grad Celsius. Weil sie spannungsfrei sind, können die Schichten auch zur Erzeugung sehr dünner, großflächiger, freistehender Membranen eingesetzt werden. Die Filme haben außerdem noch weitere wünschenswerte Eigenschaften – sie sind verschleißfest, haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten und sind inert gegen nahezu alle Chemikalien. Dadurch sind sie geeignet für den Einsatz unter rauhen Bedingungen.

Bei der Herstellung wird mit einem gepulsten Laser bei Raumtemperatur Kohlenstoff aus Graphit verdampft, der sich an einem Trägermaterial niederschlägt. Dieser Film steht unter großer mechanischer Spannung, und zwischen den Atomen bestehen viele Diamant-artige Bindungen. "Dann", so Tom Friedmann, einer der Entwickler der neuen Technik, "entdeckten wir, daß die Filme durch Erhitzen des abgelagerten Materials ihre Spannung verlieren, die Diamanten-ähnlichen Eigenschaften jedoch behalten. Im Gegensatz dazu wandeln sich amorphe Diamantschichten, die Wasserstoff enthalten, bei Erhitzen in Graphit um."

Diese Spannungsrelaxation unterscheidet sich nach Angaben der Wissenschaftler von den bekannten Typen der Entspannung. Der Prozeß scheint aus lokal begrenzten Neuorganisationen der Bindungen zu bestehen, während in anderen Materialien Atome über längere Strecken wandern. "Das Überraschende ist, daß die Härte von den subtilen Umstrukturierungen nicht beeinträchtigt zu sein scheint", sagt Friedmann.

Bis heute erzeugte das Team spannungsfreie Filme mit einer Dicke von mehr als sieben Mikrometern, trug die dicken Schichten auf Plastiksubstrate auf und stellte freistehende Membranen mit einem Durchmesser von mehr als 25 Milimetern und einer Dicke von weniger als 60 Nanometern (Milliardstel Metern) her. Sie glauben, in der Zukunft die Spannung nicht nur eliminieren, sondern auch kontrollieren zu können. "Wir können einen dehnbaren Film machen – einen Film, der sich zusammenziehen und straff spannen kann, wie ein Trommelfell. Dies ist für die Herstellung von Membranen wichtig", schwärmt Friedmann.

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