Bestimmung von Adhäsionskräften mit dem Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Rasterkraftmikroskopie wurde als Methode für die Bestimmung von Adhäsionskräften etabliert und somit der Grundstein für das Aufstellen einer Adhäsionssystematik gelegt. Es wurde gezeigt, dass definierte Kontakte mit einer Mikrokugel als AFM- Sonde erreicht und somit Adhäsionskräfte auf metallischen Einkristallen quantifiziert und verglichen werden können. Dafür wurde eine Prozedur entwickelt, um Mikrokugeln gewünschter Größe und Materials kontrolliert an spitzenlose AFM-Cantilever anzukleben und diese Cantilever in situ zu charakterisieren und zu kalibrieren. Der Einfluss verschiedener experimenteller Faktoren sowie von Materialeigenschaften auf die Adhäsion wurde detailliert untersucht und kann wie folgt zusammengefasst werden: • Adhäsionskräfte hängen sehr empfindlich vom Zustand der Oberfläche ab. Oberflächenverunreinigungen führen zu einer deutlichen Abnahme der Adhäsionskraft. • Adhäsionskräfte werden nicht entscheidend von der einwirkenden externen Kraft beeinflusst, solange diese Kraft kleiner als die Adhäsionskraft ist. • Adhäsionskräfte werden durch Heterogenitäten auf der Oberfläche, wie Stufenkanten, beeinflusst. • Adhäsionskräfte hängen von der kristallographischen Orientierung der Oberfläche, dem Radius der AFM-Mikrokugel und der Oberflächenrauheit (RMS-Wert) ab. Die beste Übereinstimmung von gemessenen und berechneten Adhäsionskräften wurde mit dem modifizierten Adhäsionsmodell von Thoreson, dass die Oberflächenrauheit berücksichtigt, erzielt. Hierbei wurden typische Werte für die Hamaker-Konstanten aus der Literatur verwendet und die Van-der-Waals Wechselwirkung (langreichweitige Kräfte) beschrieben. Die sich aus den Hamaker-Konstanten (Van-derWaals Wechselwirkung) ergebenden Adhäsionsarbeiten sind etwa um den Faktor 10 geringer als die, die sich aus den Oberflächenenergien für Metalle (Metall-Metall-Bindung) ergeben würden. Neben Oberflächenverunreinigungen zeigte sich überraschend stark der Einfluss der Oberflächenrauheit auf das Adhäsionsverhalten. Für die Fortsetzung einer Adhäsionssystematik sind neben einer Erweiterung des Materialspektrums verstärkt methodische Arbeiten zur Proben- und AFM-Kugelreinigung und für die Charakterisierung der Oberflächenrauheit notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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09/2004: 3rd ESF-Nanotribology Workshop: Atomic Scale Friction, Sesimbra, Portugal, Adhesion of clean metal surfaces probed by well-defined AFM-tips
B. Stegemann, D. Spaltmann, T. Schneider, E. Santner
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03/2005: Spring-Meeting of the German Physical Society (DPG), Berlin Adhesion force measurements for well-defined probe - sample geometries
B. Stegemann, H. Backhaus, H. Kloß, E. Santner
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03/2005: Spring-Meeting of the German Physical Society, Berlin, Adhesion forces studied by colloid probe atomic force microscopy
B. Stegemann, H. Backhaus, H. Kloß, E. Santner
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06/2005: 4th ESF - Nanotribology Workshop (NATRIBO), Porquerolles, France Spherical AFM probes for quantitative measurements of nanoscale adhesion
B. Stegemann, H. Backhaus, H. Kloß, E. Santner
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06/2005: Seminar, Institut für Experimentalphysik, Freie Universität Berlin, Nanotribology: Adhesion measurements with the scanning force microscope
Bert Stegemann
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09/2005: 23rd European Conference on Surface Science, ECOSS 23, Berlin Nanotribological properties of metal single crystals: Adhesion force measurements on Ag(111), (100) and (110) by AFM
B. Stegemann, H. Backhaus, H. Kloß, E. Santner
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10/2005: 4th International Workshop "Scanning Probe Microscopy in Life Sciences" JPK Instruments AG, Berlin. Towards a consistent approach in probing nanoscale forces by spherical probe AFM
B. Stegemann, T. Schneider, E. Santner
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10/2005: Seminar, Center for Nanotechnology (CeNTech), Münster: Force Distance Measurements with Spherical AFM Probes
Bert Stegemann
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12/2005: Seminar, Abteilung Oberflächenchemie und Katalyse, Universität Ulm: Force Distance Measurements with Spherical AFM Probes
Bert Stegemann
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Chances and Challenges of Nanotribolog, in: Micro- and Nano-Technology, W.J. Bartz, F. Franek (Hrsg.), 97-102 (Österreichische Tribologische Gesellschaft, Wien, 2005). ISBN 3-901657-18-5
E. Santner, Th. Schneider, D. Spaltmann, B. Stegemann
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01/2006: 15th International Colloquium: Tribology Automotive and Industrial Lubrication, Technische Akademie Esslingen (TAE): Tribological Measurements at the Nanoscale: Correlation of atomic and mechanical properties
B. Stegemann, E. Santner
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05/2006: 28. Ulmer Gespräch der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik (DGO): Verschleißbeständige Oberflächen für Verkehrstechnik, Maschinenbau und Medizintechnik, Neu-Ulm: Grundlagen von Reibung und Verschleiß
Bert Stegemann
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Nanotribologie: Grundlagen von Reibung und Verschleiß, in: Verschleißbeständige Oberflächen für Verkehrstechnik, Maschinenbau und Medizintechnik, Eugen G. Lenze Verlag, Bad Saulgau 2006, Seite 13-21. ISBN 3-87480-226-4
B. Stegemann
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Tribological Measurements at the Nanoscale, in: Automotive and Industrial Lubrication (Proceedings 15th International Colloquium Tribology, Book of Synopses and CD-ROM), W.J. Bartz (Hrsg.), 181 (10 Seiten), Technische Akademie Esslingen 2006, ISBN 3-924813-62-0
B. Stegemann, E. Santner
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Spherical AFM probes for adhesion force measurements on metal single crystals. In: A. Méndez-Vilas, J. Díaz, Modern Research and Educational Topics in Microscopy, pp. 820-827, Formatex, Badajoz, Spanien, 2007, ISBN 978-84-611-9419-3
B. Stegemann, H. Backhaus, H. Kloss, E. Santner
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12/2008 Messung der Adhäsion zwischen Kugel und metallischen Oberflächen mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops im Ultrahochvakuum“, 62. Kolloqium der Gesell schaft für Tribologie Arbeitskreis Berlin- Brandenburg, 2008
C. Marwitz, B. Stegemann, H. Kloss, M.Woydt
