Untersuchung der Kontaktelektrifizierung bei Metall-Metall, Metall-Dielektrikum- und Dielektrikum-Dielektrikum-Kontakten mit einer breitbandigen, ultrasensitiven Ladungsdetektion

• Antragsteller: Professor Dr. Rolf Möller; Professor Dr. Hermann Nienhaus
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518939313

Kontakt- und Reibungselektrizität sind seit mehr als 2000 Jahren bekannt. Jedoch ist die Physik hinter den Effekten noch immer nicht vollständig verstanden. Wir haben Ladungsverstärker mit einer Auflösung < 1fC und < 1 µs entwickelt, die einen neuen experimentellen Zugang ermöglichen, den Ladungstransfer zwischen einem frei fallenden Teilchen und einer Oberfläche mit nie dagewesener Präzision zu analysieren. Erste Experimente zur Kontaktelektrifizierung von Metallen haben ergeben, dass sich die Partikel während des Kontakts entladen, aber im Augenblick des Ablösens von der Platte wieder eine überraschend hohe Ladung aufnehmen. Die Ladung ist abhängig von der Auftreffgeschwindigkeit und größer, als das generell akzeptierte Modell von Harper und Lowell vorhersagt. Durch Einführen einer kleinen Ringelektrode vor der unteren Kondensatorplatte können die Ladungsauflösung noch weiter gesteigert und Verschiebungen zwischen Ladungs- und Massenschwerpunkt bestimmt werden. Ziel dieses Projekts ist es, die fundamentalen Vorgänge der Kontaktelektrifizierung zwischen Metallen (Au, Cu, Pt) und einem Metall und einem Dielektrikum (Si, InP, Al2O3, ZrO2) wie auch zwischen Dielektrika zu untersuchen. In der ersten Projektphase haben wir eine neue Apparatur aufgebaut, in der unter Vakuum oder Gasatmosphären die Kondensatorplatten definiert präpariert und die Kugeln vor dem freien Fall in den Kondensator neutralisiert werden können. Darüber hinaus lassen sich nun neue Proben hineinschleusen, ohne das Vakuum zu brechen. Die ersten experimentellen Ergebnisse an Au und Cu Kugeln in Kontakt mit Cu(OH)2/Cu und wasserstoff-passivierten Si(111)-Oberflächen verdeutlichen die entscheidende Rolle des Oberflächenpotentials und der Grenzflächenzustände für die Kontaktelektrifizierung. Die geplanten Experimente werden diese Ergebnisse erweitern, um die übertragende Ladungsmenge zu kontrollieren und zu vergrößern, z.B. für Kontakte an TiO2/Ti und CuO/Cu. Die erfolgreichen Versuche an halbleitenden und isolierenden Materialien werden fortgesetzt, um die Bedeutung von Adsorbat- und Defekt-induzierten Akzeptoren und Donatoren an der Kontaktfläche für die Elektrifizierung zu demonstrieren. Als Halbleiter werden Si- und InP-Oberflächen sowohl n- als auch p-dotiert eingesetzt. Mit Hilfe der Ringelektrode soll im Falle von isolierenden Materialien nachgewiesen werden, dass die transferierte Ladung am Kontaktort verbleibt. Hierbei ist es wichtig, die Kugeln vor dem Experiment zu entladen, was in dem neuen Aufbau möglich wird. Darüber hinaus sollen Effekte durch eine flexoelektrische Polarisation während des Kontakts nachgewiesen werden. Das erfordert sehr empfindliche Messungen während der Kontaktphase, weil das Signal von der Kraft abhängt, die die Kugel auf die Platte im Kontakt ausübt. Wir erwarten, aus den Messungen einen tieferen Einblick in die Mechanismen der Kontaktelektrifizierung zwischen anorganischen Materialien zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen