Reibung und Dämpfung auf atomarer Skala
Reibung und Dämpfung auf atomarer Skala
Ein wichtiges Ziel in der Oberflächenphysik ist es, Phänomene der Reibung und Dämpfung an Oberflächen zu untersuchen und zu verstehen. In unseren Experimenten verwenden wir das Messprinzip der dynamischen Rasterkraftmikroskopie (dynamic force microscopy, DFM oder auch frequency modulation atomic force microscopy, FM-AFM). Diese Methode ermöglicht es, Metall-, Halbleiter- und Isolator-Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden; außerdem können zusätzlich zur Topographie auch die Energieverluste an der Oberfläche aufgezeichnet werden.
FM-AFM
Ein mikrofabrizierter Silizium-Balken (engl. "Cantilever") mit Spitze wird zur Schwingung auf seiner Resonanzfrequenz angeregt. Bringt man diesen Balken in die Nähe einer Oberfläche, so verschiebt sich durch die zwischen Spitze und Probe wirkenden Kräfte die Resonanzfrequenz. Beim Abrastern der Probe sorgt nun eine Regelung dafür, dass an jedem Punkt die gleiche Frequenzverschiebung vorliegt, indem sie den Abstand zwischen Spitze und Probe entsprechend einstellt. Die Topographie der Probe lässt sich so als Fläche konstanter Frequenzverschiebung darstellen.
Ein zweiter Regelkreis hält die Amplitude des Cantilevers konstant. Die hierfür erforderliche Energie entspricht der, die in die Oberfläche verloren geht. Der Vergleich von Topographie- und Energieverlustsignal erlaubt es, Dämpfungsprozesse "punktgenau" zu untersuchen.
Torsionsmodus
Zusätzlich zur "normalen" Schwingung des Cantilevers kann man auch dessen Torsionsschwingung anregen. Die Spitze schwingt also gleichzeitig auch parallel zur Probenoberfläche. Wie im Normalbetrieb, kann man auch hier den Energieverlust der Torsionsschwingung protokollieren, der Aufschluss über die Reibung an der Oberfläche gibt.