Ultrahochvakuum-Rasterkraftmikroskop mit Variation der Probentemperatur
Final Report Abstract
Das Ultrahochvakuum Rastersondenmikroskop kann Kräfte auf der Nanoskala in einem großen Temperaturbereich von 30 K bis 700 K messen. Für unsere Untersuchungen im Gebiet der Nanotribologie wurde das Gerät im Reibungskraftmodus betrieben, um mikroskopische Prozesse von Reibung und Verschleiß zu bestimmen. Ein experimentell nur schwer zugänglicher Zusammenhang ist das Wechselspiel von Temperatur und nanoskaliger Reibung. Um diese mikroskopische Prozesse besser zu verstehen, haben wir spezielle Oberflächen ausgewählt, die reibungsrelevante Übergänge bei bestimmten Temperaturen haben. Dazu gehören Ladungsdichtewellenmaterialien, sowie Self-Assembled Monolayers (SAMs) aus Thiolen auf Gold. Bei beiden System konnten wir die nanoskalige Reibung als Funktion der Probentemperatur messen und mit entsprechenden mikroskopischen Modellen vergleichen. Generell ist der direkte Vergleich von Reibungsexperimenten mit Modellen schwierig, da die genaue Kontaktfläche bzw. Geometrie zwischen Sondenspitze und Oberfläche unbekannt ist. Daher haben wir die elektronische Ansteuerung des Kraftmikroskops optimiert, um gezielt kleine Nanopartikel auf der Oberfläche zu verschieben, während simultan die Verschiebe- bzw. Reibungskraft gemessen wird. So können wir Reibung systematisch als Funktion von Geometrie und Orientierung einer atomar definierten Grenzfläche vermessen, um einen direkten Vergleich mit atomaren Modellen und Phänomenen, wie z.Bsp. der Superlubrizität, ziehen zu können. So haben wir mit dem Kraftmikroskop u.a. die Reibung von nanoskaligen NaCl Inseln auf Graphitoberflächen untersucht, und verschiedene Reibungsniveaus identifizieren können. In engem Zusammenhang mit der Reibung steht auch der atomare Verschleiß. Theoretische Betrachtungen sagen vorraus, dass auch solche Prozesse thermisch aktiviert sind und somit eine starke Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen sollten. Wir haben daher systematisch den Verschleiß von Silizium und Silikatoberflächen nach längerem Gleitreibungskontakt mit einer Diamantspitze für verschiedene Temperaturen untersucht. Der starke Einfluss der Temperatur bestätigt sich in den Experimenten. Ein weiteres Themengebiet, das mit dem Kraftmikroskop bearbeitet wurde, ist die Nano-Ionik. Hier werden Ionenleitungsprozesse in nanoskaligen Volumina mittels elektrischer Kraftmikroskopie untersucht. Die Variation der Probentemperatur erlaubt es, unter Annahme einer Arrhenius-Kinetik, die Energiebarrieren der Ionensprungprozesse zu analysieren.
Publications
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(2018) Friction anomalies at first-order transition spinodals: 1T-TaS 2. New J. Phys. (New Journal of Physics) 20 (2) 023033
Panizon, Emanuele; Marx, Torben; Dietzel, Dirk; Pellegrini, Franco; Santoro, Giuseppe E.; Schirmeisen, Andre; Tosatti, Erio
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(2018) Friction fluctuations of gold nanoparticles in the superlubric regime. Nanotechnology 29 (15) 155702
Dietzel, Dirk; Wijn, Astrid S. de; Vorholzer, Matthias; Schirmeisen, Andre
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"Limitations of structural superlubricity: Chemical bonds versus contact size", ACS Nano 11 (2017) 7642
D. Dietzel, J. Brndiar, I. Stich, A. Schirmeisen
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"Nanotribological properties of Hexadecanethiol self-assembled monolayers on Au(111): Structure, temperature and velocity", Langmuir 33 (2017) 6005
T. Marx, X. Shen, D. Dietzel, A. Schirmeisen
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"Time Strengthening of Crystal Nanocontacts", Physical Review Letters 118 (2017) 246101
J. J. Mazo, D. Dietzel, A. Schirmeisen, J. G. Vilhena, E. Gnecco
