Chromen kranen, kleppen van een dieselmotor of elektronische componenten, veel materiaal wordt voorzien van een coating – of in gewoon Nederlands: een deklaagje. Het extra laagje zorgt voor eigenschappen die het materiaal zelf niet heeft, zodat het product gaat glimmen, krasvast wordt of ongevoelig voor corrosie. Dr. Guido Janssen, materiaalwetenschapper aan de TU Delft, beschrijft het probleem dat hij in het gerenommeerde Amerikaanse tijdschrift wetenschappelijk uitdiepte: ‘Veel coatings raken in de loop van de tijd los van het materiaal waarop ze zijn aangebracht. Dat is niet de bedoeling. De kraan wordt lelijk, of de dieselklep beschadigt waardoor de motor minder goed gaat lopen.’

Janssen is geïnteresseerd in de hechting van coating en ondergrond omdat hij – samen met collega’s van het Netherlands Institute for Metals Research (NIMR) – probeert hele kleine componenten te coaten. Hoe kleiner het product, hoe lastiger het is de coating er goed op te zetten en te houden. De Delftse wetenschappers onderzochten een bepaald soort polykristallijne metallische deklagen (waaronder chroom en wolfraam coatings) tot in detail om vast te stellen waardoor ze van de ondergrond losraken. En wat er aan te doen is om dat te voorkomen.

Het was al lang bekend dat de zogenaamde trekspanning in de coating in belangrijke mate verantwoordelijk is voor het loslaten. De atomen in de coating trekken dan relatief sterk aan elkaar waardoor er in de laag een spanning ontstaat die er in de loop van de tijd voor zorgt dat de coating plaatselijk losraakt. Als de coating dik is ten opzichte van het onderliggende materiaal, kan een ander ongewenst effect optreden. Bij hele kleine onderdelen zoals in de elektronica, waar de opgebrachte lagen wel tien procent van de totale dikte voor hun rekening nemen, kan de trekspanning ervoor zorgen dat de componenten kromtrekken. Janssen: ‘Trekspanning is met name verantwoordelijk voor het kromtrekken van elektronische chips. Dit is één van de beperkingen aan de introductie van steeds complexere chips.’

Technologen hebben al decennialang een oplossing voor het probleem van de trekspanning, maar die voldoet niet helemaal. Ze verminderen de trekspanning door de coating met ionen te beschieten. Deze ionen nestelen zich tussen de atomen van de coating, of ze introduceren kristalfouten in het materiaal. In beide gevallen wordt daarmee een drukspanning geïntroduceerd die tegenwicht biedt aan de trekspanning. Toch loste dit het probleem niet altijd op.

Het onderzoek van de Delftse onderzoekers heeft nu aan het licht gebracht dat die beschieting met ionen altijd op de verkeerde wijze is gebeurd. Janssen: ‘Ons onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat het beschieten met ionen wel zin heeft, maar dat je juist in het begin een grote hoeveelheid ionen moet loslaten en later een veel kleinere hoeveelheid. Dat is helemaal tegengesteld aan wat men nu doet.’ Janssen baseert zijn advies op de vaststelling dat de trekspanning in de coating niet overal gelijk is: aan de bovenkant van de laag heb je er minder last van dan aan de onderkant van de coating, op het grensvlak met het onderliggende materiaal.

Volgens de Delftse onderzoekers is het nu wel mogelijk om bijvoorbeeld zeer kleine schakelaars te voorzien van een coating die de schakelaar zelf niet krom trekt. Volgens Janssen is dat ‘echt een stap vooruit’.