Einfluß der Temperatur auf die Reibungseigegnschaften von Nanokontakten
Final Report Abstract
Obwohl Reibungsphänomene eine wichtige Rolle in vielen aktuellen technologischen Anwendungen spielen, sind wichtige Fragen bezüglich der physikalischen Mechanismen der Reibung noch ungeklärt. Da bei makroskopischen Reibungsmessungen die systematische Untersuchung der Reibung durch undefinierte Kontaktflächen, Abrieb und Oberflächenverschmutzungen sehr schwierig ist, wurde in dem Projekt ‚Einfluß der Temperatur auf die Reibungseigenschaften von Nanokontakten’ die Reibung eines wohldefinierten Nanokontaktes mit Hilfe der Reibungskraftmikroskopie unter extrem sauberen Ultrahochvakuumbedingungen untersucht. Voruntersuchungen hatten gezeigt, dass auf einer Siliziumoberfläche die Nanoreibung bei kryogenen Temperaturen um die 100K überraschenderweise eine starke Erhöhung um den Faktor 5 zeigt, die nicht durch die aktuellen Modelle der thermisch aktivierten molekularen Reibung beschrieben werden konnte. Dieses neue Phänomen der temperaturinduzierten Reibungsverstärkung wurde im Rahmen dieses Projektes auch auf weiteren harten Oberflächen, wie z.Bsp. Siliziumcarbid, Natriumchlorid und Graphit, experimentell nachgewiesen und scheint daher einen allgemeinen Charakter zu haben. In Kooperation mit der Gruppe von Prof. Michael Urbakh, Universität Tel Aviv, konnten wir ein Modell entwickeln, welches dieses Phänomen als Zusammenspiel von zwei konkurrierenden Prozessen erklärt. Sowohl das Aufbrechen von molekularen Bindungen zwischen Spitze und Probe, sowie die neue Formierung von Bindungen sind thermisch aktivierte Prozesse, die zu dem beobachteten Reibungsmaximum bei einer bestimmten Temperatur führen können. Unsere Untersuchungen zur temperaturabhängigen Nanoreibung wurden im Laufe des Projektes auch auf die Klasse der weichen Materialien erweitert. In Kooperation mit dem IBM Zürich Forschungszentrum wurde die Reibung auf einem PAEK Polymer untersucht, welches als Kandidat für zukünftige thermomechanische Datenspeicher auf Basis der Kraftmikroskopie gilt (‚Millipede’-Konzept). Wir konnten experimentell einen starken Einfluß der Auflagekraft sowohl auf die Glasübergangstemperatur (primäre oder auch Alpha- Relaxation des Polymers), als auch die Temperatur der sekundären (Beta- oder Gamma-) Relaxationsprozesse nachweisen. Es wurde ein Modell auf Basis der Eyring-Theorie entwickelt, welches eine erhöhte Scherspannung durch die wachsende Auflagekraft bei der Aktivierungsenergie der Relaxationsprozesse berücksichtigt.
Publications
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Nanoscale frictional dissipation into shear-stressed polymer relaxations. Physical Review Letters 102 (2009) 236101
L. Jansen, A. Schirmeisen, J.L. Hedrick, M.A. Lantz, A. Knoll, R. Cannara, B. Gotsmann
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Multibond Dynamics of Nanoscale Friction: The Role of Temperature. Physical Review Letters 104 (2010) 066104
I. Barel, M. Urbakh, L. Jansen, A. Schirmeisen
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Temperature dependence of friction at the nanoscale: When the unexpected turns normal. Tribology Letters 39 (2010) 311
I. Barel, M. Urbakh, L. Jansen, A. Schirmeisen
