Crack Resistance of Diamond‐Like Carbon Coatings: Investigations with Nanoindentation. (8th December 2021)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Bobzin, Kirsten; Brögelmann, Tobias; Carlet, Marco; Kruppe, Nathan C.; Engels, Martin; Arghavani, Mostafa
• Is Part Of: Vakuum in Forschung und Praxis. Volume 33:Number 6(2021)
• Page Start: 36
• Page End: 42
• Publication Date: 2021-12-08
• Subjects: Vacuum technology -- Periodicals; 621.55
• DOI: 10.1002/vipr.202100769
• Languages: English
• ISSNs: 0947-076X

Abstract

Summary: The aim of the current paper is the study of the crack resistance of diamond‐like carbon (DCL) coatings deposited by direct current magnetron sputtering (dcMS) and high‐power pulse magnetron sputtering (HPPMS) with different process parameters. For this purpose nanoindentation with a very high force resolution of R FN ≤ 1 nN was used to analyze different a‐C coatings, which were deposited under variation of the process gases argon, helium and neon. Owing to significantly high force resolution of the indenter, a large number N = 31, 872 of data points in each force‐displacement curve was recorded, which enabled the desired analyses. Based on the results, it can be stated that the nanoindentation is able to provide knowledge on the crack formation of DLC coatings. The coatings deposited with neon show a more promising behavior in point of elastic‐plastic properties. In addition, the evaluation of the force‐displacement curves indicates a higher resistance to crack formation of these coatings. Furthermore, investigations on the influence of the process gas pressure were conducted using Ne and three pressures p = 2.0 Pa, p = 1.5 Pa and p = 1.0 Pa. The results show that applying the moderate gas pressure can generate coatings with the highest toughness compared to the coatings deposited with higher and lower gas pressures. Zusammenfassung: Bestimmung der Rissbeständigkeit diamant‐ähnlicher Kohlenstoffschichten mit Hilfe hochauflösender Nanoindention Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Rissbeständigkeit diamantähnlicher Kohlenstoffschichten (DCL, a‐C), die durch Gleichstrom‐Magnetron‐Sputtern (dcMS) und Hochleistungs‐Impuls‐Magnetron‐Sputtern (HPPMS) mit unterschiedlichen Prozessparametern abgeschieden wurden. Zu diesem Zweck wurde die hochaufgelöste Nanoindentation zur Analyse von verschiedenen a‐C‐Schichten verwendet, die unter Variation der Prozessgase (Argon und Neon bzw. Helium) abgeschieden wurden. Aufgrund der signifikant hohen Kraftauflösung von R FN ≤ 1 nN des Eindringkörpers wurde eine große Anzahl von N = 31.872 Datenpunkten in jeder KraftWeg‐Kurve aufgenommen, was die gewünschten Analysen ermöglichte. Anhand der Ergebnisse lässt sich feststellen, dass die Nanoindentation in der Lage ist, Erkenntnisse über die Rissbildung von DLC‐Schichten zu liefern. Die mit Neon abgeschiedenen Schichten zeigen ein vielversprechenderes Verhalten in Bezug auf die elastisch‐plastischen Eigenschaften. Darüber hinaus deutet die Auswertung der Kraft‐Weg‐Kurven auf eine höhere Rissbildungsresistenz dieser Schichten hin. Weiterhin wurden Untersuchungen zum Einfluss des Prozessgasdrucks mit Ne und drei Drücken p = 2, 0 Pa, p = 1, 5 Pa und p = 1, 0 Pa durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Anwendung des moderaten Gasdrucks Schichten mit der höchsten Zähigkeit erzeugt werden können, verglichen mit den Schichten, die mit höheren und niedrigeren Gasdrücken abgeschieden wurden.