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. Diese Frage ist nicht nur von akademischem Interesse, sondern hat enorme praktische Bedeutung. Einerseits können reibungsbedingte elektrische Entladungen schwere Explosionen von brennbaren Flüssigkeiten oder Stäuben verursachen; andererseits gibt es auch viele nützliche Anwendungen, wie z.B. bei der Rauchgasreinigung. 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. Es wurde eine Erweiterung dieses Modell vorgeschlagen, das die Deformation der beteiligten Flächen berücksichtigt und dadurch die Beobachtungen erklärt. Durch Einführen einer kleinen Ringelektrode vor der unteren Kondensatorplatte konnten 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. Die Studie wird sich auf Halbleiter und anorganische Isolatoren fokussieren, um die Rolle intrinsischer elektronischer Zustände für den Ladungstransfer an gut definierten Oberflächen und Kontakt-Grenzflächen zu klären. Für das Experiment wird eine UHV-Kammer gebaut, die es erlaubt, die Kontaktelektrifizierung im Vakuum, aber auch in genau definierten Gasatmosphären zu studieren. Mit Elektronen sowie UV-Licht soll das Oberflächenpotenzial isolierender dielektrischer Teilchen vor dem Kontakt eingestellt werden. Aufeinanderfolgende Kontakte in einer Reihe zu messen, erlaubt die Bestimmung der übertragenden Ladung als Funktion der Auftreffgeschwindigkeit und der Anfangsladung. Durch geeignete Wahl der Materialien soll die Auswirkung des Kontaktpotentials, der Oberflächenbandverbiegung, der Polarisierbarkeit der Materialien und von Adsorbatschichten (z.B. H2O) auf die transferierte Ladung analysiert werden. Mit der ergänzenden Ringelektrode können asymmetrische Ladungsverteilungen auf isolierenden Kugeln vor und nach dem Kontakt vermessen werden. Deformationen und Abrieb an den Kontaktstellen werden im Analysezentrum (ICAN) auf dem Campus mit chemisch aufgelöster Mikroskopie untersucht. Wir erwarten einen tieferen Einblick in die Mechanismen der Kontaktelektrifizierung zwischen anorganischen Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen