Von der Eisfläche zum Hagelschauer

Schichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff sind sehr reibungsarm, weil superglatt. Daher appliziert man sie auf nahezu jede Festplatte und viele Maschinenteile. In einer Fachpublikation wird erstmals schlüssig geklärt, warum aufwachsende Schichten nicht rau werden.

Eine Werkstoffklasse, die in den vergangenen Jahren eine steile Karriere hinlegte, beruht auf ganz gewöhnlichem Kohlenstoff. Verantwortlich für diesen Erfolg sind verschiedene Verfahren, mit deren Hilfe das sechste Element des Periodensystems über Kohlenstoffelektroden oder aus gasförmigen Verbindungen im Plasma sehr kontrolliert auf festen Oberflächen abgeschieden werden kann. „Sehr kontrolliert“ meint dabei die Kristallstruktur: Je nach Prozessbedingungen wächst eine amorphe, also atomar ungeordnete Schicht, kristalliner Graphit oder Diamant auf. Gerade die amorphen gewinnen zunehmend an Bedeutung, da bei ihnen die Schichthärte zwischen graphitisch und diamantähnlich (diamond like carbon, DLC) beliebig eingestellt werden kann. Ein weiterer Grund für die Karriere des amorphen Kohlenstoffs liegt in seiner Fähigkeit, ultraglatte und damit reibungsarme und verschleißfeste Schichten zu bilden. Damit hat DLC ein breites Spektrum von Anwendungen erobert. Es reicht von Beschichtungen für Computerfestplatten, kratzfesten Gläsern, reibenden Maschinenteilen bis zu widerstandsfähigen Bohrern, Fräsköpfen und anderen Werkzeugen.

Um solche und andere Schichten in ihrem Aufbau optimieren zu können, wollen Forscher verstehen, auf welche Weise sich die Atome auf der Oberfläche abscheiden. Ein Teilaspekt: Warum sind DLC-Schichten derartig glatt? Die bisherige mechanistische Vorstellung geht von einer lokalen Erwärmung der Schicht aus: Ein Atom trifft auf die Oberfläche und überträgt seine kinetische Energie auf die Nachbarn. Dies führt zu einem sehr kurzfristigen „Schmelzen“, mit der Folge, dass kleine Erhebungen eingeebnet werden. „Wir konnten rechnerisch und im Experiment nachweisen, dass die Vorstellung ?heißes Bügeleisen auf Eisfläche? nicht haltbar ist“, fasst Michael Moseler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM seine Ergebnisse zusammen. „Der Vorgang gleicht viel eher einem ?erosiven Hagelschauer?. Wir haben damit einen universellen Glättungsmechanismus gefunden, der nicht nur bei Kohlenstoff, sondern auch bei amorphem Silizium und Metalloxiden auftritt. Diese Erkenntnisse sind so weitreichend, dass wir sie in der Septemberausgabe der Zeitschrift Science publiziert haben.“

Eine wachsende DLC-Schicht gleicht einer nanoskopischen Schneelandschaft. Der Atomhagel verursacht Nanolawinen auf den Hängen. Dadurch werden die Berge nach und nach in die Täler erodiert, was letztendlich zur Glättung der Schicht führt. „Diese Erkenntnis ist sehr wichtig, um nanostrukturierte Oberflächen gezielt herstellen zu können“, resümiert Moseler.