Quantifizierung der Phononen-Beiträge zur Reibung auf atomarer Skala

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Alfred John Weymouth
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444750204

Auf globaler Ebene werden 20% der verbrauchten Energie dazu verwendet, Reibungskräfte zu überwinden. Trotz dieses großen Anteils, werden Reibungskräfte meist nur mit empirische bestimmten Formeln beschrieben. Um das Verhalten von Reibungskräften in Zukunft ohne empirische Formeln vorhersagen zu können, müssen mögliche Kanäle der Energiedissipation basierend auf grundlegenden physikalischen Prinzipien beschrieben werden. Einer dieser Kanäle ist die durch Phononen hervorgerufene Energiedissipation. Wenn zwei Oberflächen übereinander gleiten, kann durch die Anregung von Phononen, auch ohne Materialverschleiß, Reibungsenergie dissipiert werden. Eine Möglichkeit, den Einfluss der durch Phononen hervorgerufenen Energiedissipation zu untersuchen, ist der Vergleich der Reibungseigenschaften von Wasserstoff (H)- und Deuterium (D)-terminierter Oberflächen. Wasserstoff und Deuterium sind sich in vielen physikalischen Eigenschaften, bis auf ihre Masse, sehr ähnlich, und so können sämtliche Unterschiede in den Reibungskräften direkt verschiedener Energiedissipation durch Phononen zugeordnet werden. Unter Vakuumbedingungen können saubere, atomar flache Siliziumoberflächen präpariert werden und diese mit H und D gesättigt werden. Es wurden bereits Unterschiede in den Reibungskräften für diese Oberflächenterminierungen gemessen, jedoch wird in der Fachliteratur aktuell darüber debattiert, ob diese aufgrund unterschiedlicher Phononmoden oder einer unterschiedlichen Anzahl ungesättigter Oberflächen-Bindungen auftreten. Der Grund der Debatte ist, dass bis zum jetztigen Zeitpunkt in keinem Experiment gleichzeitig die Oberfläche und die lateralen Kräfte auf atomarer Ebene untersucht werden konnte. Im Rahmen dieses Projekts werde ich Lateralkraftmikroskopie (engl.: lateral force microscopy, LFM) anwenden, um diese Frage zu beantworten. Um die Energiedissipation zu bestimmen, soll eine atomar definierte Messspitze lateral sowohl über eine H-terminierte, als auch über eine D-terminierte Oberfläche gerastert werden. Mittels bei tiefen Temperaturen betriebener Nichtkontakt-Lateralkraftmikroskopie ist es möglich, die Oberfläche und die Front der Messspitze auf atomarer Ebene zu charakterisieren. Indem wir die Dämpfung der lateralen Oszillation der Spitze über einzelnen Atomen messen, können wir Unterschiede in der Dissipation präzise bestimmen. Die durch diese Messungen gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen es uns, die Frage zu beantworten, ob unterschiedliche Phononmoden, oder die Dichte der ungesättigten Bindungen der Oberflächenatome die Reibungskräfte beeinflussen. Des Weiteren können so Phononenbeiträge mit atomarer Präzision charakterisiert werden, indem wir diese neuartige Technik der Rasterkraftmikroskopie anwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen