Friction Microscopy
Back Next AFM Home Up Home Site Map Search

 

Universität Ulm, Abteilung Experimentelle Physik

REIBUNGSMIKROSKOPIE

Othmar Marti und Jaime Colchero

Mit dem Reibungsmikroskop, einer Weiterentwicklung des Raster-Kraftmikroskopes, ist erstmals eine Untersuchung von Reibungsphänomenen von einzelnen, wenige Atome umfassenden Kontakten zwischen zwei Oberflächen möglich. Laterale Kräfte auf Kontakte mit Nanometer-Ausdehnung haben neben der bekannten dissipativen Komponente (Reibung) auch konservative Anteile. Auf heterogenen Oberflächen findet man im Reibungsbild einen materialabhängigen Kontrast, der in der Topographie nicht vorhanden ist und eine Unterscheidung von Materialien erlaubt. Viele der beobachteten Phänomene sind theoretisch nur unvollständig verstanden.

Einführung

Die Kraftmikroskopie[1,2] hat seit ihrer Einführung eine stürmische Entwicklung erlebt. Mit ihrer Hilfe werden Topographie, magnetische und elektrostatische Wechselwirkungen zwischen der spitzenförmigen Sonde und einer breiten Auswahl an Oberflächen und Vorgängen an Oberflächen abgebildet. Einige wenige Beispiele sind die Untersuchung von magnetischen Festplattenschichten, biologischen Makromolekülen, elektrochemischen Reaktionen in situ und kristallinen Festkörperoberflächen[3].

Bei der Untersuchung von magnetischen oder elektrostatischen Phänomenen ist es möglich, die Topographie der Probe von der lokalen Struktur der untersuchten Wechselwirkung mit einer Modulationstechnik zu trennen[3]. Bei der höchstauflösenden Kraftmikroskopie, die mit repulsiven Coulomb-Kräften zwischen der Spitze und der Probe arbeitet, werden die Normalkraft und die davon abgeleitete Topographie der Probe aufgezeichnet. Als weitere Grösse kann die lokale Steifigkeit einer Probe gemessen werden, indem man die zwischen Spitze und Probe wirkende Kraft mit kleiner Amplitude moduliert. Das resultierende Signal ist dann proportional zur lokalen Steifigkeit der Probe. Die lokale Steiffigkeit kann zum Beispiel zur Unterscheidung von weichen Adsorbatschichten vom härteren Substrat dienen. Die Federkonstante des Kraftmessbalkens limitiert jedoch den Bereich der messbaren Steifigkeiten. Die Reibungsmikroskopie[4,5] bietet wesentlich aussagekräftigere Daten unter anderem über die konservativen und dissipativen Komponenten der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe, sowie über die chemische Zusammensetzung und die Rauhigkeit im Nanometerbereich von Oberflächen. Mit einem Reibungsmikroskop werden neben den üblicherweise aufgezeichneten normalen Kräften und der daraus abgeleiteten Topographie auch laterale Kräfte in einer Vorzugsrichtung aufgezeichnet, ähnlich wie bei den klassischen Reibungsmessmethoden[7]. Im Gegensatz zu diesen Methoden wird jedoch ein mikrofabrizierter Kraftmessbalken verwendet; mit dieser Technik können nunmehr Reibungsphänomene auf mikroskopischer Skala untersucht werden.

Das Reibungsmikroskop

Das Reibungsmikroskop ist eine Weiterentwicklung des Kraftmikroskopes[1]. Ein Kraftmikroskop tastet die Probenoberfläche mit einer auf einer Feder montierten Spitze ab. Als Feder werden kleine, einseitig eingespannte Bälkchen verwendet. Die zwischen der Spitze und der Probe wirkenden Kräfte sind anziehend oder abstossend und lenken deshalb die Feder aus. Die Auslenkung kann entweder mit einem Tunnelübergang, mit einem Interferometer, über Rückkopplung von Licht in eine Laserdiode, mit kapazitiven Sensoren oder mit dem Lichtzeigereffekt gemessen werden. Für die Reibungsmikroskopie ist nun entscheidend, dass auf einen gegen eine Oberfläche gedrückten und seitlich bewegten Federbalken auch eine seitliche Kraft (Abb. 1) wirkt. Diese laterale Kraft bewirkt einerseits eine seitliche Verbiegung des Balkens und andererseits über die als Hebelarm wirkende Spitze auch eine Verdrillung. Dünne und breite Balken, wie sie in mikrofabrizierter Form von verschiedenen Firmen angeboten werden, maximieren die Verdrillung und minimieren die seitliche Verbiegung. Die Verdrillung und die Auslenkung durch die Normalkraft lassen sich auf einfache Weise mit einem Lichtzeiger messen[5,6]. Ein am Balkenende reflektierter Lichtstrahl wird durch die Verdrillung und die Verbiegung abgelenkt. Die durch die Verdrillung hervorgerufene Ablenkrichtung ist orthogonal zu der durch die Normalkraft bewirkten Auslenkung (Abb. 1)

SFM

Abb. 1 Reibungsmikroskop. Kernstücke des Reibungsmikroskopes sind der Kraftmessbalken und die Lichtzeigerdetektion bestehend aus einer Laserdiode und der Viersegment-Photodiode. Die Probe wird mit dem Piezo gegenüber dem Balken verschoben. Die resultierenden Normal- und Lateralkräfte ergeben auf dem Detektor zwei orthogonale Auslenkungen, hier mit Topographie und Lateralkraft bezeichnet.

Auf dem positionsempfindlichen Detektor ergeben die Normal- und die Lateralkraft eine orthogonale Bewegung des Lichtfleckes. Mit einer aus vier Segmenten bestehenden Photodiode können die Normal- und die Lateralkraft gleichzeitig und unabhängig gemessen werden.

Käufliche Federbalken ergeben zusammen mit dem Detektionssystem typischerweise eine Empfindlichkeit von 10-12 N für Normalkräfte und von <10-10 N für Lateral- oder Reibungskräfte. Die Empfindlichkeit des Detektors kann jedoch bei den repulsiven Normalkräften nicht ausgeschöpft werden, da attraktive Wechselwirkungen zwischen der Spitze und der Probe eine untere Grenze für die messbaren Kräfte von etwa 10-10 N in Wasser oder 10-8 N an Luft festlegen. Im Gegensatz dazu gibt es keinen entsprechenden physikalischen Effekt, der die Lateralkräfte nach unten begrenzt. Deshalb ist bei Lateralkraftmessungen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Detektors die limitierende Grösse. Als Beispiel für die Konstruktion eines kombinierten Kraft- und Reibungsmikroskops sei auf eine jüngere Arbeit aus unserer Gruppe[8] verwiesen.

Ansätze zum theoretischen Verständnis der Reibung

Vielfach werden heute Reibungsphänomene mit Kontinuumsmethoden untersucht. Diese Betrachtungsweise ist sehr erfolgreich in der Behandlung von technisch relevanten Reibungsproblemen. Kontinuumsmethoden sind angebracht, solange die Dimension der untersuchten Strukturen sich nicht im Nanometerbereich bewegt. Kontakte der Grösse 1 nm, wie sie zum Beispiel in der Kraftmikroskopie vorkommen, lassen sich aber so nicht untersuchen. Erste atomistische Modelle der Reibung haben Tomlinson[9] und Frenkel und Kontorova[10] vorgestellt. In diesen Modellen werden Atome an der Oberfläche als gekoppelte harmonische Oszillatoren betrachtet, die durch einen unspezifizierten Mechanismus gedämpft sind. Diese Modelle wurden im Laufe der Zeit immer weniger verwendet, da die Kontinuumsmethoden sehr erfolgreich waren. Im Bemühen, Kraftmikroskopie auf atomarer Skala zu verstehen, wurden in den letzten Jahren einige wenige atomistische Modelle zur Wechselwirkung der Spitze mit der Probe vorgestellt[11,12]. Die theoretischen Arbeiten beruhen einerseits auf molekulardynamischen Rechnungen und vernachlässigen dabei die Dissipationsmechanismen. Molekulardynamische Rechnungen beschreiben typischerweise das Verhalten von Körpern auf Zeitskalen von Femtosekunden bis einigen 100 Picosekunden. Andere Modelle berechnen die Kräfte auf alle Atome an vielen verschiedenen Punkten und schliessen daraus auf die lateralen Kräfte. Beiden genannten Ansätzen ist gemeinsam, dass Dissipationsmechanismen wie zum Beispiel die Anregung von Phononen nicht behandelt werden. Die Herausforderung an die theoretische Physik besteht darin, molekulardynamische Rechnungen unter Berücksichtigung der Dissipation durchzuführen und dabei Methoden der Extrapolation auf die Zeitskala typischer Reibungsexperimente von Milisekunden bis Sekunden bereitzustellen.

Experimentelle Ergebnisse

Die Reibungsmikroskopie ermöglicht eine Auflösung der Probenoberfläche bis hin zu einzelnen atomaren Strukturen[5]. Als Beispiel zeigt Abb. 2 eine atomar aufgelöste Abbildung von Glimmer, sowohl im Topographiebild (Abb. 2a)) als auch im Lateralkraftbild (Abb. 2b)). Die beiden Bilder zeigen gleiche Periodizität, wenn auch unterschiedliche Strukturen der Elementarzelle erkennbar sind. Während in der Topographie die Symmetrie der Glimmeroberfläche zu sehen ist (vergleiche mit der eingezeichneten Einheitszelle), fehlt diese Symmetrie im Lateralkraftbild. Symmetrien können nur in einer Ebene senkrecht zur Messrichtung beobachtet werde. Die Messrichtung ist für Normalkräfte senkrecht zur Probenoberfläche; sie liegt jedoch für Lateralkräfte in der Probenoberfläche. Als einzige mögliche Symmetrie der Oberfläche im Lateralkraftbild bleiben Spiegelungen an Ebenen, definiert durch die Oberflächennormale und die Abtastrichtung.

 Mica, Topo  Mica, Friction

Abb. 2 Atomar aufgelöstes kombiniertes Topographiebild a) und Lateralkraftbild b) von Glimmer gemessen mit einer Auflagekraft von 5*10-9 N. Die Graustufen im Topographiebild umfassen einen Bereich von 0,25 nm, wobei die Tiefen dunkel und die Höhen hell dargestellt sind. Das Lateralkraftbild zeigt grosse Lateralkräfte (entgegen der Bewegungsrichtung) hell und kleine Lateralkräfte dunkel. Die Grauskala im Lateralkraft umfasst 5*10-10 N. Die Einheitszelle des Glimmergitters ist an gleicher Stelle in beiden Bildern eingezeichnet.

Eine Auftragung der vorwärts und rückwärts gemessenen Lateralkräfte gegen den Ort zeigt eine Hysterese mit einer eingeschlossenen Fläche. Sie, die im Uhrzeigersinn umlaufen positiv gezählt wird, entspricht der durch die Rasterbewegung dissipierten Energie. Verschiedene Mechnismen sind an der Dissipation beteiligt. Hauptsächliche Beiträge stammen von der Dämpfung im Federbalken und von den sowohl in der Spitze als auch in der Probe erzeugten Phononen. Es zeigt sich, dass bei kleinen Normalkräften (< 10-8 N) die Reibungskraft nicht einfach durch die Amplitude der Lateralkraftmodulation innerhalb einer Einheitszelle der Probenoberfläche gegeben ist. Die atomare Struktur der Probenoberfläche verursacht eine Höhenmodulation des Wechselwirkungspotentials mit der Spitze. Während die Normalkraft gegeben ist durch die Ableitung des Wechselwirkungspotentials zwischen der Spitze und der Probe entlang der Senkrechten zur Probenoberfläche, ist die konservative Lateralkraft gegeben durch die Ableitung des Wechselwirkungspotentials nach der Bewegungsrichtung der Spitze. Je kleiner die Auflagekraft der Spitze ist, desto grösser ist der Anteil der konservativen Komponente an der Modulation der Lateralkraft. Eine Rechnung mit konservativen Kräften zeigt, dass die in Abb. 2 sichtbaren Strukturen der Topographie und der Lateralkraft ohne Annahme einer dissipativen Kraft erklärt werden können. Solche sägezahnförmigen Lateralkraftkurven werden üblicherweise mit einem quasiperiodischen Kleben und Springen der Spitze an der Probe erklärt. ("Stick-Slip"-Bewegung). Diese für makroskopische Reibung richtige Erklärung lässt sich auf atomarem Dimensionen nicht ohne zusätzliche Informationen wie die eingeschlossene Fläche im Kraft-Weg-Diagramm rechtfertigen.

Bei Reibungsmessungen im atomaren Bereich wird typischerweise bei den kleinsten heute realisierbaren Kräften etwa 1 eV Energie pro abgetasteter Einheitszelle dissipiert. Dieser dissipative Anteil, die eigentliche Reibung, kommt durch verschiedene Effekte zustande: Einerseits werden sowohl in der Spitze als auch in der Probe Phononen angeregt. Diese transportieren die elastische Energie von der Wechselwirkungsregion zwischen Spitze und Probe weg und verhindern deshalb die Rückwandlung in kinetische Energie der Spitzenbewegung, was für die Energieerhaltung notwendig wäre. Eine weitere Möglichkeit der Energiedissipation besteht in der inneren Dämpfung des Balkens. Die in der Kraftmessfeder dissipierte Leisung ist für kleine Anregungsfrequenzen w und grosse Güten Q gegeben durch

 Equation 1

wobei w0 die Resonanzfrequenz des Balkens für Verdrillung ist, w die Anregungsfrequenz, gegeben durch die Abtastgeschwindigkeit und die räumliche Periodizität der Probenoberfläche, m die Masse des Balkens und f die Federkonstante. Die in der Feder dissipierte Energie wächst quadratisch mit der Anregungsfrequenz und damit mit der Abtastgeschwindigkeit, während die bei einem konstanten Reibungskoeffizienten dissipierte Energie proportional zur Abtastgeschwindigkeit zunimmt. Eine Analyse der bei der Aufnahme der Glimmeroberfläche in Abb. 2 verwendeten Parameter zeigt jedoch, dass die Dissipation in der Kraftmessfeder vernachlässigt werden darf. Deshalb kann der dissipative Anteil der Reibung bei dieser Messung vollständig Dissipationsprozessen am Kontaktpunkt zwischen Probe und Spitze zugeschrieben werden.

In on Si, Topo  In on Si, Friction

Abb. 3 Topographie a) und Lateralkraftbild b) von Indium auf Silizium. Die Graustufen im Topographiebild sind dunkel für die Tiefen und hell für die Höhen. Das Lateralkraftbild zeigt grosse Lateralkräfte entgegen der Bewegungsrichtung dunkel und kleine Lateralkräfte hell.

Ein wichtige Rolle in der Reibungsmikroskopie spielt ferner der lokale, materialabhängige Reibungskoeffizient. Abb. 3 zeigt eine Messung der Topographie und des Reibungsbildes von Indium auf Silizium[13]. Die Indiumschicht wurde im UHV auf eine frisch gespaltene Siliziumoberfläche aufgedampft und an Luft abgebildet. Im Reibungsbild (Abb. 3b)) treten zwei kleinere Hügelchen sehr stark hervor. Dieselben Hügelchen unterscheiden sich im Topographiebild (Abb. 3a)) kaum von weiteren ähnlichen Strukturen. Von der Präparation der Probe weiss man, dass weniger als eine Monolage Indium auf die Siliziumoberfläche aufgebracht wurde. Deshalb schliessen wir aus den Ergebnissen, dass die Hügelchen in Abb. 3 aus Indium bestehen müssen. Da die Messung in Luft vorgenommen wurde, sind sowohl die Indium- als auch die Siliziumoberfläche oxidiert. Unsere Messungen zeigen deshalb, dass die in diesem Experiment verwendete Siliziumnitridspitze einen grösseren Reibungskoeffizienten gegen Silizium als gegen Indium hat.

Stufen und grössere Strukturen sind im Lateralkraftbild sichtbar (Topographieeffekt). In der Mitte des Bildes läuft eine Stufe auf dem Silizium von oben nach unten. Auch eine reibungsfreie Spitze wird beim Überqueren dieser Stufe ein erhöhtes Lateralsignal zeigen. Dies rührt daher, dass an der schrägen Stufenseite oder, alternativ, an der schrägen Spitzenseite, Normalkräfte in Lateralkräfte transformiert werden, analog zur schiefen Ebene. Die in Abb. 3 ersichtlichen Stufen können vom Experimentator verwendet werden, um die Grauschattierung hoher Reibungskräfte (hier dunkel) zu bestimmen.

Ausblick

Es wurde gezeigt, dass die Reibungsmikroskopie Oberflächen mit bis zu atomarer Auflösung abbilden kann. Die Kombination mit der Kraftmikroskopie erlaubt eine Messung von lokalen Reibungskoeffizienten von Nanometer-grossen Strukturen und darauf basierend in bestimmten Fällen die chemische Identifikation dieser Strukturen. Über eine genaue Analyse der konservativen Lateralkräfte kann der Gradient des Wechselwirkungspotentiales entlang einer Achse in der Probenoberfläche bestimmt werden. Weiterhin ist aus einer Analyse der Lateralkraft bei der Abbildung von Nanostrukturen auf Oberflächen eine Aussage über ihre Adhäsion und ihre strukturelle Festigkeit möglich[13]. Die Bestimmung von solchen Grössen im Nanometerbereich wird immer wichtiger werden, da heute grosse Anstrengungen unternommen werden, Bauteile und mechanische Komponenten mit Dimensionen von Nanometern herzustellen. Die Nanotechnologie, die nanotechnologische Fertigung funktioneller Gruppen und ihre Charakterisierung sind ohne die Rastersondenmikroskopie nicht denkbar. Erste kommerzielle Reibungsmikroskope, basierend auf der hier vorgestellten Technik sind angekündigt. Dies ist ein Hinweis darauf, dass insbesondere vom Reibungsmikroskop interessante und nützliche Beiträge zu diesem neuen Gebiet erwartet werden können. Wir danken J. Mlynek für eine kritische Durchsicht des Manuskriptes sowie M. Hipp, H. Bielefeldt, U. Dürig und Ch. Gerber für wertvolle Diskussionen. Die Siliziumprobe wurde von G. Krausch hergestellt. Teile dieser Arbeit wurden von der Deutschen Forschungsgesellschaft (SFB 306) gefördert.

Referenzen

  1. G. Binnig, C.F. Quate und Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).
  2. O. Marti, B. Drake, und P.K. Hansma, Appl. Phys. Lett. 51, 484 (1987).
  3. D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford University Press New York, 1991.
  4. S.R. Cohen, G. Neubaur, und G.M. McClelland, J. Vac. Sci. Technol. A8, 3449 (1990).
  5. O. Marti, J. Colchero, und J. Mlynek, Nanotechnology 1, 141 (1990).
  6. G. Meyer and N.M. Amer, Appl. Phys. Lett. 57, 2089 (1990).
  7. E. Rabinowicz, Friction and Wear of Materials, J. Wiley and Sons, New York, 1965.
  8. M. Hipp, H. Bielefeldt, J. Colchero, O. Marti, and J. Mlynek, Ultramicroscopy 42-44, 1498-1503 (1992).
  9. G.A. Tomlinson, Phil. Mag. S. 7, Vol. 7, 905 (1929).
  10. Y.I. Frenkel und T.Kontorova, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 8, 1340 (1938).
  11. S. Çiraci, Ultramicroscopy 42-44, 16 (1992).
  12. G. Overney, W. Zhong, und D. Tomanek, J. Vac. Sci. Technol. 9, 479 (1991).
  13. O. Marti, J. Colchero, and J. Mlynek, in "Nanosources an Manipulations of Atoms under High Fields and Temperatures: Applications", Nato ASI Series: E 235, 253-269 (1993).

Siehe auch:
Nanotribologie in elektrolytischer Umgebung (leider nur in Englisch)
AFM in Elektrolyten
AFM beim Verstrecken von Polymeren
AFM an Polymeren und Polymermischungen

Prof. Dr. Othmar Marti

Dr. Sabine Hild

Eva Weilandt

Armin Rosa

Zurück zur Homepage der Experimentellen Physik


Ingo Asbach 
 Last modified: 16.05.1995;  16:55:00 Uhr 

 

Please send questions or comments to: othmar.marti@uni-ulm.de
Copyright © 1998 Experimentelle Physik, Universität Ulm
Last edited: 23. März 2000