Unravelling the surface structure and reactivity of the calcite (1014) cleavage plane by threedimensional force field spectroscopy

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Kühnle
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 195396397

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im vorliegenden Projekt wurde eine Routine entwickelt, die die Messung der Kraft ermöglicht, die zwischen der Messspitze eines Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskops (NC-AFM) und einer Oberfläche in einem Volumen über der Oberfläche wirkt. Um diese so genannte „dreidimensionale Kraftspektroskopie“ auch bei Zimmertemperatur durchführend zu können, muss die thermische Drift genau gemessen und ausgeglichen werden. Im Rahmen des Projekts wurde eine atom tracking und eine feed forward Routine entwickelt, die nun die zuverlässige Aufnahme von Kraftdaten mit atomspezifischer Positionierung bei Zimmertemperatur erlaubt. Diese Methode wurde angewandt, um das dreidimensionale Kraftfeld zwischen einer Spitze und der Calcit(104) Spaltfläche zu vermessen. Diese Daten zeigten eine überraschende Asymmetrie, die vermutlich mit der Verkippung der Carbonatgruppen der Oberfläche in Verbindung steht. Um diese Hypothese zu prüfen, wurde die absolute Ausrichtung dieser niedrigsymmetrischen Oberfläche (sie besitzt nur eine Symmetrieoperation) unabhängig über die Doppelbrechung bestimmt. Anschließend wurden die Messungen mehrfach wiederholt, um zu prüfen, ob die in der Kraftspektroskopie ermittelte Asymmetrie mit der unabhängig bestimmten Ausrichtung der Oberfläche übereinstimmt, was sich bestätigen lassen konnte. Eine präzise Auswertung der dreidimensionalen Kraftdaten erfordert eine genaue Kenntnis der lang- und kurzreichweitigen Kräfte. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Methode entwickelt, die die Identifikation von kurzreichweitigen Kräften auch in dem Fall ermöglicht, in dem keine „neutralen“ Positionen mit vernachlässigbarer kurzreichweitiger Kraft – wie z.B. die klassischerweise dafür genutzten corner holes auf Si(111)-(7x7) – auf der Oberfläche vorhanden sind. Schließlich wurden dreidimensionale Kraftdaten auch auf den sehr eng verwandten Mineralien Dolomit und Magnesit aufgenommen, um zu prüfen, ob die Verkippung dort auch sichbar ist und ob es möglich ist, die beiden Ionen Calcium und Magnesium in der dreidimensionalen Kraftspektroskopie zu unterscheiden. Diese letztgenannten Arbeiten sind gegenwärtig noch nicht abgeschlossen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Flexible drift-compensation system for precise 3D force mapping in severe drift environments, Rev. Sci. Instrum. 82 (2011) 063704
  P. Rahe, J. Schütte, W. Schniederberend, M. Reichling, M. Abe, Y. Sugimoto, A. Kühnle
  
• NC-AFM contrast formation on the calcite (1014) surface, J. Phys.: Condens. Matter 24 (2012) 084006
  Philipp Rahe, Jens Schütte, Angelika Kühnle
  
• Is calcite(10-14) a chiral surface? Journal of Unsolved Questions 3 (2013) 21
  Philipp Rahe, Stefan Kuhn, Angelika Kühnle
  
• Discriminating short-range from van der Waals forces using total force data in noncontact atomic force microscopy, Phys Rev. B 89 (2014) 235417
  Stefan Kuhn, Philipp Rahe
  
• Identifying the absolute orientation of a low-symmetry surface in real space, Phys. Rev. B 90 (2014) 195405
  Stefan Kuhn, Markus Kittelmann, Yoshiaki Sugimoto, Masayuki Abe, Angelika Kühnle, and Philipp Rahe