Amorphe Kohlenstoffschichten

Amorphe Kohlenstoffschichten, auch bekannt als diamantähnliche Kohlenstoffschichten (engl.: diamond-like carbon, DLC), stellen eine allotrope Modifikation des Kohlenstoffs dar. Die Kohlenstoffatome sind hierbei kovalent in sp²- und sp³-hybridisierter Konfiguration miteinander verbunden, wodurch eine ungeordnete, amorphe Struktur entsteht. Die sp²-Konfiguration liegt typischerweise in Graphit vor, während die sp³-Bindung im Diamant vorkommt. Daher kombinieren amorphe Kohlenstoffschichten Eigenschaften von Graphit und Diamant. Prozessbedingt können diese Schichten zudem Wasserstoff enthalten, der sich an freie Kohlenstoffatome bindet und dadurch terminierende C-H-Bindungen innerhalb der amorphen Struktur bildet.

Je nach Zusammensetzung und Verhältnis der Bindungsarten existieren verschiedene Typen amorpher Kohlenstoffe. Die Klassifizierung erfolgt basierend auf dem Verhältnis der sp³- zu sp²-gebundenen Kohlenstoffatome sowie dem Wasserstoffgehalt. Bei einem hohen sp²-Anteil wird wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff als a-C bezeichnet, während hingegen Schichten vom Typ a-C:H auch Wasserstoff beinhalten. Tetraedrisch angeordnete amorphe Kohlenstoffe, die durch einen hohen Anteil an sp³-gebundenen Kohlenstoffatomen charakterisiert sind, werden hingegen als ta-C klassifiziert.

Die mechanischen Eigenschaften amorpher Kohlenstoffschichten werden entscheidend durch das Verhältnis von sp²- zu sp³-gebundenen Kohlenstoffatomen sowie den Wasserstoffgehalt beeinflusst. Ein hoher Anteil an sp³-Bindungen verleiht den Schichten diamantähnliche Eigenschaften, wie eine hohe Härte und hohe Verschleißbeständigkeit. Ein hoher Wasserstoffgehalt reduziert dagegen die Schichtdichte und führt dadurch zu einer geringeren Härte.

Amorphe Kohlenstoffschichten zeichnen sich generell durch niedrige Reibungskoeffizienten und eine hohe Verschleißbeständigkeit aus, weshalb sie häufig als tribologische Beschichtungen in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. In der Automobilindustrie dienen sie zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß an Motor- und Getriebekomponenten. Zudem kommen amorphe Kohlenstoffschichten häufig in der Werkzeugbeschichtung zum Einsatz, um die Einsatzzeit von Werkzeugen zu verlängern und die Reibung im Prozess zu reduzieren. In der Medizintechnik werden sie hingegen für die Beschichtung von Implantaten zur Verbesserung der Biokompatibilität verwendet.

Amorphe Kohlenstoffschichten können jedoch hohe Druckeigenspannungen und folglich eine geringe Haftung auf metallischen Substraten aufweisen, was häufig zu vorzeitigem Versagen beschichteter Bauteile und Werkzeuge führt. Zudem ist ihre thermische Beständigkeit begrenzt, wodurch sie bei höheren Betriebstemperaturen zur Degradation neigen. Aus diesem Grund werden sowohl prozesstechnische als auch werkstoffseitige Ansätze entwickelt, um das Eigenschaftsprofil zu verbessern. So lässt sich beispielsweise durch die Applikation einer geeigneten Zwischenschicht die Haftung auf Stahlsubstraten deutlich verbessern.

Elementmodifikation von amorphen Kohlenstoffschichten

Um die Eigenschaften amorpher Kohlenstoffschichten gezielt zu verbessern und ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern, können diese durch die Zugabe verschiedener Elemente modifiziert werden. Dabei beeinflusst die Elementmodifikation die strukturelle Zusammensetzung der Schichten und wirkt sich direkt auf ihre Eigenschaften aus.

Die Modifikationselemente lassen sich nach ihrer Wirkung auf die Strukturausbildung unterscheiden. Leichte Elemente wie Silizium, Stickstoff oder Fluor ersetzen Kohlenstoffatome im Netzwerk, wobei die amorphe Struktur der Schicht erhalten bleibt. Alternativ können auch Übergangsmetalle als Modifikationselemente eingesetzt werden, die sogenannte Nanokompositstrukturen bilden. Diese bestehen aus Nanokristalliten, die in einer amorphen Kohlenstoffmatrix eingebettet sind. Bei karbidbildenden Elementen wie Titan, Chrom oder Wolfram entstehen karbidische Nanokristallite, während Edelmetalle in ihrer metallischen Phase als Nanokristallite vorliegen. Für die Benennung dieser Schichten wird der Terminus um die chemischen Symbole der jeweiligen Elemente ergänzt. So erhalten beispielsweise Si-haltige wasserstofffreie Schichten die Bezeichnung a-C:Si, während hingegen wasserstoffhaltige Varianten als a-C:H:Si bezeichnet werden.

Die Eigenschaften modifizierten Kohlenstoffschichten hängen maßgeblich vom Anteil der Modifikationselemente und den daraus resultierenden strukturellen Veränderungen ab. Daher ist es wichtig geeignete Gehalte der Elemente zu bestimmen, um eine optimale Anpassung der Schichteigenschaften zu erreichen.