In the past two decades much effort has been put in the characterization of the mechanical<p>and surface properties at the nano-scale in order to conceive reliable N/MEMS<p>(Nano and Micro ElectroMechanical Systems) applications. Techniques like nanoindentation,<p>nanoscratching, atomic force microscopy have become widely used to measure<p>the mechanical and surface properties of materials at sub-micro or nano scale. Nevertheless,<p>many phenomena such us pile-up and pop-in as well as surface anomalies<p>and roughness play an important role in the accurate determination of the materials<p>properties. The first goal of this report is to study the infulence of these sources of data<p>distortion on the experimental data. The results are discussed in the first experimental<p>chapter.<p>On the other hand, conceptors would like to adapt/tune the mechanical and surface<p>properties as a function of the required application so as to adapt them to the industrial<p>need. Coatings are usually applied to materials to enhance performances and reliability<p>such as better hardness and elastic modulus, chemical resistance and wear resistance.<p>In this work, the magnetron sputtering technique is used to deposit biocompatible thin<p>layers of different compositions (titanium carbide, titanium nitride and amorphous<p>carbon) over a titanium substrate. The goal of this second experimental part is the<p>study of the deposition parameters influence on the resulting mechanical and surface<p>properties.<p>New materials such as nanocrystal superlattices have recently received considerable<p>attention due to their versatile electronic and optical properties. However, this new<p>class of material requires robust mechanical properties to be useful for technological<p>applications. In the third and last experimental chapter, nanoindentation and atomic<p>force microscopy are used to characterize the mechanical behavior of well ordered lead<p>sulfide (PbS) nanocrystal superlattices. The goal of this last chapter is the understanding<p>of the deformation process in order to conceive more reliable nanocrystal<p>superlattices. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Egg (the whole, the yolk or the white) is a natural product used since ancient times as tempera painting medium mainly in Europe and the Mediterranean Basin countries. In addition, egg is a complex multicomponent microstructured system susceptible of being influenced by the pigments that compose the paints, as well as a source of nutrient susceptible of biodeterioration. Modifying effect of artists' pigments on the binding medium as well as, the microbial biodeterioration are responsible for changes in the structure and composition of the binding medium and, consequently, on the physico-chemical properties of the paint. For this purpose, analytical techniques such as Fourier transform infrared spectroscopy - attenuated total reflection (FTIR-ATR) was used for the chemical characterization, Field emission scanning microscopy (FESEM) and Atomic force microscopy - nanoindentation (AFM-nanoindentation) were run for morphological and mechanical characterization of the deterioration processes resulted from the pigment-binder interactions involved in tempera painting. On the other hand, the current research report the application of the voltammetry of microparticles (VMP), complemented with FTIR-ATR, FESEM and AFM-nanoindentation techniques to monitor the deterioration of a series of tempera reconstructed model paint specimens under the action of different biological agents. This methodology would be of application for identifying the type of biological agent causing deterioration of painting, which is an important problem affecting cultural heritage. The analysis of biodeterioration processes is complicated by the fact that the action of microorganisms can affect both pigment and binding media. The deterioration of pictorial specimens by Acremonium chrysogenum, Aspergillus niger, Mucor rouxii, Penicillium chrysogenum and Trichoderma pseudokoningii fungi and Arthrobacter oxydans, Bacillus amyloliquefaciens and Streptomyces cellulofans bacteria was tested using sample-modified graphite electrodes immersed into aqueous electrolytes. Finally, the study carried out by means of FTIR-ATR, FESEM and AFM-nanoindentation confirms that egg proteins attached to the pigment grains changes their secondary structures. The results obtained also confirm that proteins and phospholipids are prevalently established linkages with the solid particles of pigment whereas triglycerides should be integrated in the complex binding network responsible for the cohesion of the paint film. Interactions between egg components with solid pigment particles are described and correlated with micromorphology and mechanical properties determined at micro- and nano-scale on the reconstructed model paint specimens. As a result of the crossing of VMP data with the results obtained by means of FTIR, FESEM and AFM-nanoindentation, the voltammetric signals obtained were associated to the electrochemical reduction of pigments and different complexes associated to the binding media. These results were particularly relevant in the study of biodeterioration, to allowing the electrochemical monitoring of biological attack. / El huevo (entero, yema o clara) es un producto natural utilizado desde la antigüedad como medio aglutinante en la pintura al temple, principalmente en Europa y los países de la cuenca mediterránea. Además, el huevo es un complejo sistema multicomponente microestructurado susceptible de ser alterado por los pigmentos que componen las pinturas, así como fuente de nutrientes susceptible de biodeterioro. El efecto de los pigmentos sobre el medio aglutinante, así como el biodeterioro microbiano son responsables de cambios en la estructura y composición del medio aglutinante y, por consiguiente, en las propiedades fisicoquímicas de la pintura. Es por esto que, se utilizaron técnicas analíticas como la Espectroscopía Infrarroja por Transformada de Fourier en modo Reflexión Total Atenuada (FTIR-ATR), para la caracterización química de los procesos de deterioro resultantes de las interacciones pigmento-aglutinante en la pintura al temple. Así mismo, se utilizó Microscopía Electrónica de Emisión de Barrido (FESEM) para el estudio morfológico de las muestras, y para el estudio de las propiedades mecánicas Microscopía de Fuerza Atómica en modo Nanoindentación (AFM-nanoindentación). Por otro lado, la presente investigación propone el uso de la Voltamperometría de Micropartículas (VMP), en conjunto con otras técnicas de análisis como FTIR-ATR, FESEM y AFM-nanoindentación para el estudio del biodeterioro producido por hongos y bacterias sobre una serie muestras pictóricas sometidas. El estudio de las alteraciones causadas por el biodeterioro es complicado por el hecho de que la acción de los microorganismos puede afectar tanto al pigmento como al medio aglutinante. Para esto, se prepararon una serie de muestras de pinturas al temple y emulsión que fueron inoculadas con los hongos Acremonium chrysogenum, Aspergillus niger, Mucor rouxii, Penicillium chrysogenum, y Trichoderma pseudokoningii, y las bacterias Arthrobacter oxydans, Bacillus amyloliquefaciens y Streptomyces cellulofans. El estudio voltamperometrico se realizó utilizando electrodos de grafito modificados con las muestras inmersos en un electrolito acuoso. Las conclusiones obtenidas de manera general, apuntan a que las proteínas presentes en el huevo cambian su estructura secundaria al adherirse a los granos de pigmento. La información química, morfológica y mecánica obtenida por las diferentes técnicas de análisis instrumental es consistente. Finalmente, como resultado del cruce de los datos VMP con los resultados obtenidos mediante FTIR, FESEM y AFM-nanoindentación, las señales voltamperometricas obtenidas se asociaron a la reducción electroquímica de los pigmentos y a los complejos formados con el medio aglutinante. Estos resultados fueron particularmente relevantes en el estudio del biodeterioro de las películas pictóricas inoculadas, para permitir la monitorización electroquímica del ataque microbiológico. / L'ou (sencer, rovell o clara) és un producte natural utilitzat des de l'antiguitat com a mitjà aglutinant en la pintura al tremp, principalment a Europa i els països de la conca mediterrània. A més, l'ou és un complex sistema multicomponent MICROESTRUCTURAT susceptible de ser alterat pels pigments que componen les pintures, així com a font de nutrients susceptible de biodeterioració. L'efecte dels pigments sobre el medi aglutinant, així com el BIODETERIORI microbià són responsables de canvis en l'estructura i composició del medi aglutinant i, per tant, en les propietats fisicoquímiques de la pintura. És per això que, es van utilitzar tècniques analítiques com l'Espectroscòpia Infraroja per Transformada de Fourier en mode Reflexió Total Atenuada (FTIR-ATR), per a la caracterització química dels processos de deteriorament resultants de les interaccions pigment-aglutinant en la pintura al tremp. Així mateix, es va utilitzar Microscòpia Electrònica d'emissió de Rastreig (FESEM) per a l'estudi morfològic de les mostres, i per a l'estudi de les propietats mecàniques Microscòpia de Força Atòmica en mode Nanoindentació (AFM-nanoindentació). D'altra banda, la present investigació proposa l'ús de la Voltamperometría de Micropartícules (VMP), en conjunt amb altres tècniques d'anàlisi, com FTIR-ATR, FESEM i AFM-nanoindentació per a l'estudi de l'biodeterioració produït per fongs i bacteris sobre una sèrie de mostres pictòriques sotmeses. L'estudi de les alteracions causades pel biodeteriori és complicat pel fet que l'acció dels microorganismes pot afectar tant el pigment com al medi aglutinant. Per això, es van preparar una sèrie de mostres de pintures al tremp i emulsió que van ser inoculades amb els fongs Acremonium chrysogenum, Aspergillus niger, Mucor rouxii, Penicillium chrysogenum, i Trichoderma pseudokoningii i els bacteris Arthrobacter oxydans, Bacillus amyloliquefaciens i Streptomyces cellulofans. L'estudi voltamperomètric es va realitzar utilitzant electrodes de grafit modificats amb les mostres immersos en un electròlit aquós. Les conclusions obtingudes de manera general, apunten que les proteïnes presents en l'ou canvien la seva estructura secundària al adherir-se als grans de pigment. La informació química, morfològica i mecànica obtinguda per les diferents tècniques d'anàlisi instrumental és consistent. Finalment, com a resultat de l'encreuament de les dades VMP amb els resultats obtinguts mitjançant FTIR, FESEM i AFM-nanoindentació, els senyals voltamperomètrics obtinguts es van associar a la reducció electroquímica dels pigments i als complexos formats amb el medi aglutinant. Aquests resultats van ser particularment rellevants en l'estudi del biodeteriori de les pel·lícules pictòriques inoculades, per tal de permetre la monitorització electroquímica de l'atac microbiològic. / Ortiz Miranda, A. (2017). Development of analytical methods for the characterization of tempera paintings at micro- and nano-scale and their deterioration and biodeterioration processes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90571 / TESIS

Tato Diplomová práce se zabývá povrchovou analýzou nanokompozitní folie polyetherimidu (PEI) vyztuženého exfoliovanými grafitickými nanodestičkami (xGnP). Analyzovány byly take vzorky nevyztužené PEI folie a samostatné nanodestičky. Vzorky nanokompozitu a PEI folie byly plazmaticky leptány s využitím argonového plazmatu po dobu 1, 3 a 10 hod. Skenovací elektronová mikroskopie (SEM) byla použita pro charakterizaci samostatných nanodestiček rozptýlených na křemíkovém substrátu, původních či leptaných vzorků PEI folie a nanokompozitu. Nanodestičky byly identifikovány při povrchu leptané nanokompozitní folie. Mikroskopie atomárních sil (AFM) byla použita pro zobrazení povrchové topografie separovaných nanodestiček a odkrytých destiček při povrchu leptaného kompozitu. Povrchová drsnost (střední kvadratická hodnota, vzdálenost nejnižšího a nejvyššího bodu) leptaného nanokompozitu narůstala s prodlužující se dobou leptání. Akustická mikroskopie atomárních sil (AFAM) byla použita pro charakterizaci elastické anizotropie leptaných kompozitních vzorků. Nanoindentační měření umožnila charakterizaci lokálních mechanických vlastností PEI a nanokompozitních folií.

The thesis deals with mechanical properties of thin hard wear-resistant coatings. The work presents a method of dynamic testing of thin hard coatings on a newly constructed prototype of impact wear tester. It provides a comparison with standard methods of layer testing and presents new experimental results of dynamic impact wear test of the coatings. Finally, the thesis covers preparation techniques of thin film systems deposited on various substrates and their characterization using optical and electron microscopy.

Proposed diploma thesis is focused on preparation and characterization of the plasma polymer thin films based on tetravinylsilane monomer (TVS). Plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) method involving pulse and continual plasma discharge modes were used for thin film deposition on silicon wafer pieces. Reactive plasma composition was containing pure TVS or mixtures of TVS and argon or oxygen gas. Atomic force microscopy was used for surface topography and roughness characterization. Cyclic nanoindentation was involved to measurements to determine the Young’s modulus and hardness of prepared films and scratch test was performed to evaluate the degree of adhesion. Special attention was drawn to the characterization of films with a Young’s modulus below 10 GPa. Tip geometry of indenter influence on scratch test was also commented. Surface and mechanical properties of thin films in relation to the deposition conditions were correlated to the obtained results and final analysis of deposition conditions influence is proposed.

Amorphous, hydrogenated carbon films (a-C:H) have been prepared in a PECVD device from methane and ethine as the source gases.The aim was to deposit films at high growth rates while keeping high hardness (25 ± 3 GPa). Hardness, hydrogen content and surface roughness were investigated dependent on the process conditions. Further investigation showed, that the mechanical properties of the a-C:H films are determined by the energy of the ions and the ratio between the film forming ion and the film forming neutral fluxes. On the basis of the collected data the optimal deposition conditions were determined and suggestions for further improvement of the deposition were made. / Amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) wurden mittels PECVD-Verfahren abgeschieden, wobei Methan und Ethin als Quellgase verwendet wurde. Ziel war dabei die Abscheidung der Schichten mit hohen Aufwachsraten unter Beibehaltung hoher Härten (25 ± 3 GPa). Härte, Wasserstoffgehalt und Oberflächenrauhigkeit der Schichten wurden in Abhängigkeit von den Prozeßbedingungen untersucht. Weitere Untersuchungen zeigten, daß die mechanischen Eigenschaften der a-C:H Schichten von der Energie der Ionen und dem Verhältnis der schichtbildenden Ionen- und Neutralteilchenflüsse bestimmt werden. Auf der Grundlage der gewonnenen Daten können die optimalen Abscheidebedingungen festgelegt, und Vorschläge zur weiteren Verbesserung der Schichtabscheidung gemacht werden.

In the last half of the XX century and the first years of the XXI century a large amount of methods for the determination of mechanical and tribological properties of materials on the micro- and nano-scale were developed. However, some problems and disadvantages are kept up to now. The combined application of normal and lateral forces allows to extend the possibilities of conventional contact mechanical approaches for investigations of mechanical and tribological behaviour of bulk and coated materials. Due to the unique construction of the Lateral Force Unit (LFU) the lateral force can be applied to the sample during normal indentation by the commercial nanoindenter UMIS 2000. Thus, the presented thesis reports the detailed study of the LFU capabilities for the determination of mechanical properties and tribological behavior on the micro-scale. At first it was found that the most appropriate standard position for the correct combined application of normal and lateral forces is the LFU inclination by 3.3° with respect to the UMIS stage. This standard position allows to minimize the influence of different factors on the measuring process. It was shown that the shape of normal displacement-time curves is the most convenient after the thermal drift correction for the simplification of the determination of such parameters as the maximal normal displacement and the residual normal deformation obtained by lateral force application. It was found that the crack formation can be detected as the observation of sudden change of lateral displacement in lateral force-displacement curve together with normal displacement in normal displacement-time curve. These investigations were performed for single-crystal sapphire. For the first time the crack in single-crystal sapphire was detected by the contact mechanical method in situ. The critical tensile stress for the crack formation in single-crystal sapphire was determined as 9.68+-0.22 GPa. It was established that the onset of plastic deformation can be detected by the observation of shape change of lateral force-displacement curve together with the appearance of residual normal deformation in normal displacement-time curve. These investigations were done for bulk BK7 glass and silicon dioxide film with thickness of 951 nm on silicon substrate. The yield strength for the silicon dioxide film was evaluated as 6.83+-0.02 GPa. It was found that the static friction of materials couples can be evaluated by the analysis of lateral force-displacement curves with the error of 5-10 %. The static friction coefficients for fused silica, BK7 glass, single-crystal sapphire as well as SiO2, DLC and CrN0.08 coatings were determined against diamond, tungsten carbide and sapphire spherical indenter with different radii. The effect of normal load on static friction for fused silica and BK7 glass against 10.5 µm diamond spherical indenter was also studied. It was found that the onset of plastic deformation leads to a significant change of static friction. / In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und während den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts wurden zahlreiche Methoden zur Untersuchung mechanischer und tribologischer Materialeigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala entwickelt. Trotz der Fortschritte auf diesem Gebiet blieben vielfältige Fragestellungen unbeantwortet oder waren mit den vorhandenen experimentellen Untersuchungsmethoden nicht zugänglich. Mit der kombinierten Belastung aus Lateral- und Normalkräften wurden die etablierten Messverfahren um einen viel versprechenden Ansatz zur Charakterisierung mechanischer sowie tribologischer Eigenschaften erweitert, der sowohl für Massiv- als auch Schichtmaterialien anwendbar ist. Die einzigartige Konstruktion einer Lateralkrafteinheit bietet als separates Bauteil die Möglichkeit während eines Standardeindringversuches mittels des kommerziellen Nanoindenters UMIS 2000 bei normaler Last, eine laterale Belastung zu überlagern. Die vorliegende Arbeit zeigt eine detaillierte Studie der Einsatzmöglichkeiten der Lateralkrafteinheit hinsichtlich der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften und tribologischen Materialverhaltens auf der Mikrometerskala. Zunächst wurde herausgefunden, dass eine Verkippung der Lateralkrafteinheit von 3,3° gegenüber dem UMIS-Rahmen notwendig ist, um eine hochgenaue und definierte Belastung aus lateraler und normaler Kraft auf die Probe auszuüben. Mit dieser durchgeführten Korrektur der Ausrichtung gelang es weitere auf den Messprozess einwirkende Effekte zu minimieren. Nach der Korrektur der thermischen Drift scheinen die gemessenen Normalverschiebungs-Zeit-Kurven für die Bestimmung von mechanischen Parametern wie maximaler Verschiebung oder bleibender Eindrucktiefe bei lateraler Belastung geeignet zu sein. Als ein weiteres Ergebnis gelang es, durch die kombinierte Belastung der Kraftkomponenten Bruchversagen nachzuweisen. Das Materialversagen wurde durch eine abrupte Änderung der lateralen Verschiebung im Last-Verschiebungs-Diagramm angezeigt. Mit dieser Methode wurde erstmalig in-situ das Bruchversagen am Beispiel des einkristallinen Saphirs detektiert. Die kritische Zugspannung, die zur Bruchbildung bei Saphir führte, war 9,68+-0,22 GPa. Die Analyse der Kurvenform der Kraft-Verschiebungs-Kurven für die Lateralbelastung im Zusammenhang mit dem Auftreten von bleibender Deformation in den zugehörigen Verschiebungs-Zeit-Kurven der normalen Belastung liefert den Beginn der plastischen Deformation. Massive BK7-Glasproben sowie SiO2-Schichten wurden untersucht. Für die Fließspannung der SiO2-Schicht wurde ein Wert von 6,83+-0,02 GPa ermittelt. Der Haftreibungskoeffizient für verschiedene Materialpaarungen wurde aus den Last-Verschiebungs-Kurven mit einer Genauigkeit von 5-10 % berechnet. Zu den untersuchten Materialien gehörten Quarz, einkristallines Saphir, BK7-Glas sowie SiO2-, DLC- und CrN0.08-Schichten, die mit Diamant, Wolframkarbid und Saphir-Indentern gepaart wurden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Normallast auf den Haftreibungskoeffizienten für Quarz und BK7-Glas gegen Diamant studiert. Es zeigte sich, dass der Beginn der plastischen Deformation zu signifikanten Änderungen der Haftreibung führt.

Mechanische Eigenschaften, wie z.B. der Elastizitätsmodul oder die Fließspannung, sind wichtige Materialgrößen, um ein Material zu charakterisieren. Dies kann beispielsweise dazu dienen, ein Bauelement eines MEMS unter Berücksichtigung seiner Funktion zu optimieren. Daher ist es nötig, eine Messmethode zur Verfügung zu haben, die diese Größen auch in kleinen Dimensionen korrekt bestimmen kann, insbesondere auch in dünnen Schichten. Deshalb wurde ein eigenes Konzept basierend auf der Kombination von elastischer Modellierung und Nanoindentationsexperimenten in unserer Arbeitsgruppe entwickelt. Dieses Konzept beruht auf der Theorie der sphärischen Indentation in geschichtete Materialien (Image Load Method). In einem nächsten Schritt wurde dieser theoretische Ansatz erweitert, indem das Modell eines effektiven Indentors mittels des Erweiterten Hertzschen Ansatzes in das ursprüngliche Modell implentiert wurde. Zur gleichen Zeit wurden neue experimentelle Möglichkeiten entwickelt, die auf der Applikation einer definierten Lateralkraft in einem Indentationsexperiment beruhen. Bei der Auswertung dieser neuen experimentellen Methoden stellte sich heraus, dass die auf dem theoretischen Modell basierenden Fittingprozeduren einen subjektiven Faktor aufweisen, sodass je nach Nutzer der Auswertesoftware unterschiedliche Ergebnisse erhalten werden. Der Einfluss intrinsischer Spannungen auf Indentationsexperimente wurde ebenfalls bisher noch nicht systematisch untersucht. Daher ist es die Aufgabe dieser Arbeit, ebendiese offenen Fragen zu beantworten und die Methode der Nanoindentation weiter zu optimieren, um dieser Messmethode neue Anwendungsgebiete zu eröffnen. Die Untersuchungen zum Einfluss der intrinsischen Spannung auf die experimentell erhaltenen mechanischen Eigenschaften einer dünnen Schicht beinhalten ein Modellexperiment mit einer Formgedächtnislegierung (NiTinol), in welcher mittels einer eigens konstruierten Biegevorrichtung definierte biaxiale Spannungszustände eingestellt werden können. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Berechnung des Von- Mises-Spannungsfeldes mit dem Wert der intrinsischen Spannung korrigiert werden kann, so dass das erhaltene Maximum der Von-Mises-Spannung dem tatsächlichen Wert der Fließspannung des Materials entspricht. In der vorliegenden Arbeit werden des Weiteren detaillierte Untersuchungen der Entlastungskurven von Referenzmaterialien (BK7-Glas) und geschichteten Materialien (CrN Schicht auf Si) durchgeführt, die auf Berkovich- Indentationsmessungen beruhen. Dabei wurde insbesondere die Auswerteroutine basierend auf dem Konzept des effektiven Indentors dahingehend weiterentwickelt, dass der bisherige subjektive Einfluss erheblich reduziert werden konnte. Diese generell anwendbare Auswerteroutine (d0-Fit) zeichnet sich vor allem durch ein hohes Maß an Nachvollziehbarkeit und Reproduzierbarkeit aus. Mit der gleichzeitigen Anwendung einer Normal- und einer Lateralkraft in einem Indentationsexperiment mit einem spitzen Indentor (Berkovich) ist es möglich, weitere Informationen über die mechanischen Eigenschaften der untersuchten Probe zu gewinnen. Dabei wurde eine kritische Lateralkraft gefunden, die der kritischen Normalkraft einer partiellen Be- und Entlastung mit sphärischen Indentoren analog ist. Hierbei konnte die Möglichkeiten sowie Grenzen demonstriert werden, die das Modell des effektiven Indentors mit dem erweiterten Hertzschen Ansatzes bei der Auswertung der erhalten Messkurven bereitstellt. Diese Untersuchungen mit den bereits erwähnten Referenzmaterialien haben den Charakter eines empirischen Ansatzes. / Mechanical parameters, such as Young’s modulus or yield strength, are important material properties to characterize a material. These parameters can be used to optimize a construction unit of a MEMS with respect to its function for example. Therefore a measurement technique is needed that allows the determination of such mechanical properties even at very small length scales and especially in thin films. To assess the mechanical properties at small length scales and/or layered structures an experimental approach based on nanoindentation measurements and corresponding elastic modeling was developed within our working group. This approach uses the elastic theory of spherical indentation in layered structures based on a potential theory (Image Load Method). In a next step this theoretical approach was extended with implementation of the concept of the effectively shape indenter employing an extended Hertzian approach. At the same time new experimental techniques were developed opening the possibility to apply well defined lateral loads to nanoindentation experiments accompanied with precise measurement of the lateral loads and displacements. The theoretical model bases on fitting procedures of the experimentally obtained curves. During the evaluation of this new experimental nanoindentation approach a subjective factor within the fitting procedures was found, so that depending on the user different results can be derived. Furthermore the influence of intrinsic stresses on the nanoindentation data was not investigated systematically so far. The task of this work is therefore the answering of these open questions and to optimize the method of nanoindentation to open new application possibilities for this new nanoindentation approach. The investigations of the influence of the intrinsic stress on experimentally obtained mechanical properties of a thin film bases on a model experiment with a shape memory alloy (NiTinol). With the help of special designed bending device biaxial stress state can be induced in this material. It was shown that the calculation of the von Mises stress field can be corrected with the value of the intrinsic stress so that the obtained maximum of the von Mises stress corresponds to the yield strength of the material. Moreover it was shown that the onset of phase transformation from austenite to martensite under indentation loads corresponds to the von Mises stress criterion. In the present work detailed analysis of the unloading curves obtained with Berkovich nanoindentation on reference materials (BK7 borosilicate glass) and layered materials (CrN on Si substrate) was performed. The evaluation procedure was refined with respect to the subjective factor. The found procedure (d0-fit) is applicable in a general way and is characterized by a high degree of traceability and reproducibility. Using mixed loading conditions with a normal and a lateral load application at the same time with a sharp indenter (Berkovich) further information on the mechanical characteristics of a material can be derived. A critical lateral force (CLF) was found which is analogous to the critical normal force in loading-partial unloading indentation with spherical indenters. During this investigation the possibilities as well as the limitations of the theoretical model based on the effectively shaped indenter together with the extended Hertzian approach for the analysis of experimentally obtain unloading curves was shown. It should be noted that these investigations with reference materials have empirical character.

Die Herstellung von Kompositschichten aus unterschiedlichen Materialien mit verbesserten Schichteigenschaften stellt einen in den letzten Jahren intensiv erforschten Bereich der Dünnschichttechnik dar. Eine Methode zur Präparation solcher Kompositschichten besteht darin, Nano- oder Mikropartikel in eine Matrix aus einem anderen Material einzubringen. In der vorliegenden Arbeit werden so bis zu einige Mikrometer dicke Kompositschichten untersucht, die mit einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt wurden und die bis zu 30 Gew.-% Wolframdisulfid-Partikel enthalten, welche als anorganische Fullerene typische Teilchengrößen von etwa 100 nm bis 200 nm aufweisen. Zwei unterschiedliche Arten an Kompositschichten mit eingebetteten Partikeln aus Wolframdisulfid werden hergestellt: Zum einen Schichten mit einer deutlich steiferen Matrix aus Aluminiumoxid und zum anderen Schichten mit einer Matrix aus organisch modifiziertem Siliziumoxid. Die strukturelle Charakterisierung der Schichten erfolgt über verschiedene analytische Verfahren. So werden die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Schichten mit Hilfe von Röntgenbeugungs- und Röntgenfluoreszenzmessungen sowie energiedispersiver Röntgenspektroskopie ermittelt. Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie werden verwendet, um Aufschluss über die Verteilung der Wolframdisulfid-Partikel und ihren Einschluss in die jeweilige Matrix zu erhalten. Weiterhin werden die Rauheit und das Versagen der Schichthaftung auf dem Substrat untersucht. Der Einfluss der inkorporierten Partikel sowie der Herstellungstemperatur der Proben auf die mechanischen Eigenschaften der Kompositschichten wie Härte und E-Modul werden experimentell mit Nanoindentationsmessungen sowie theoretisch mittels verschiedener Modelle für effektive Materialien ermittelt. Schließlich erfolgt eine Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften der Kompositschichten im Vergleich zu undotierten Schichten aus Aluminiumoxid oder organisch modifiziertem Siliziumoxid. Mit Hilfe einer Kugel-Scheibe-Geometrie wird der Reibkoeffizient der Schichten unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dabei zeigt sich, dass bei ausreichender Menge des eingeschlossenen Wolframdisulfids ein reibungsmindernder Effekt auftritt, was vielversprechend für eine mögliche Anwendung solcher Kompositschichten ist. / The preparation of composite coatings consisting of different materials with improved properties has been an intensively studied area of thin film technology in recent years. One method to prepare such composite coatings is the incorporation of nano or micro particles into a matrix of a different material. In this thesis, such composite coatings are investigated which have been prepared via a sol-gel route und contain up to about 30 wt.-% tungsten disulfide particles. These inorganic fullerenes have typical particle sizes of about 100 nm to 200 nm. Two different types of composite coatings with a thickness of up to a few micrometers and with embedded tungsten disulfide particles are prepared: First, coatings with a relatively stiff alumina matrix, and second, coatings with a matrix made of organically modified silica. Different analytical methods are used for the structural characterization of the coatings. The crystal structure and the chemical composition of the coatings are determined via x-ray diffraction and x-ray fluorescence measurements and via energy-dispersive x-ray spectroscopy. Through scanning and transmission electron microscopy the incorporation and the distribution of the tungsten disulfide particles in the respective matrix are analysed. Furthermore, the roughness and the adhesion of the coatings on the substrate are investigated. The influence of the embedded particles and of the temperature of the final heat treatment during the sample preparation on the mechanical properties, like elastic modulus and hardness, of the composite coatings are measured through nanoindentation testing. These experimental results are compared with theoretical values determined via different analytical models for effective materials. Finally, the tribological behavior of the composite coatings is investigated in comparison to pure coatings made of alumina or organically modified silica. With ball-on-disc tests the coefficient of friction of the coatings is measured under different conditions. It can be seen that the incorporation of a sufficiently high amount of tungsten disulfide leads to a strong reduction of friction, which is promising for a possible application of such composite coatings.

Es wird untersucht, inwieweit das Konzept des effektiv geformten Indenters zur Bestimmung der Fließgrenze massiver Materialien unterschiedlicher Duktilität zuverlässig einsetzbar ist. Dazu werden neun verschiedene Stahlproben sowie BK7-Glas zunächst hinsichtlich ihrer Duktilität charakterisiert. Dies erfolgt anhand des dimensionslosen Parameters Elastizitätsmodul zu Fließgrenze (E/Y). Die Bestimmung des E-Moduls erfolgt mittels akustischer Oberflächenwellen. Die Fließgrenze wird durch makroskopische Druckversuche ermittelt. Anschließend wird das Konzept des effektiv geformten Indenters auf die verschiedenen Materialien angewandt und es wird verglichen, inwieweit die somit erhaltenen Werte für die Fließgrenze mit dem Referenzwert übereinstimmen.