Elementare Prozesse der Nanotribologie in Rasterkraftmikroskopie-experimenten

In dieser Arbeit werden rasterkraftmikroskopische Experimente zur Untersu-
chung elementarer Prozesse der Nanotribologie prÄasentiert. FÄur die Untersu-
chungen werden mikrotechnologisch hergestellte SiO2-NanotÄurme auf einem
Si-Substrat verwendet. Diese Experimente an Nanostrukturen kÄonnen als
Modellsystem fÄur tribologische Prozesse auf grÄo¼erer Skala betrachtet wer-
den.
FÄur das Abbilden der Strukturen wird ein Rasterkraftmikroskop im Kon-
taktmodus benutzt. Um die verschiedenen nanotribologischen Prozesse stu-
dieren zu kÄonnen, mÄussen die Proben auf kleiner Skala modi¯ziert werden.
Zu diesem Zweck wurden zwei Modi¯kationstechniken entwickelt: der sta-
tische und der dynamische Modi¯kationsmodus. Der statische Modi¯kati-
onsmodus ist besonders fÄur statistische Untersuchungen geeignet, weil hier
die Modi¯kation wÄahrend des Rastervorgangs ablÄauft. Auf diese Weise wir-
ken die de¯nierten KrÄafte auf alle TÄurme im Bildbereich, so da¼ man mit
einer Messung einige Hundert Modi¯kationsexperimente durchfÄuhren kann.
Ein weiteres Experimentierfeld fÄur den statischen Modi¯kationsmodus ergibt
sich aus der Tatsache, da¼ er wie auch der Kontaktmodus zur Messung der
Lateralkraft dienen kann. Dagegen hat sich der dynamische Modi¯kationsmodus als geeignet er-
wiesen, um Muster im Nanometerbereich herzustellen. Mit dieser Tech-
nik kÄonnen gezielt einzelne TÄurme ausgewÄahlt und entfernt werden. Mit
dem dynamischen Modi¯kationsmodus ergeben sich vielfÄaltige Anwen-
dungsmÄoglichkeiten in der Datenspeicherung. Er ist beispielsweise fÄur die
Herstellung von Kodierungen verwendbar, da eine einmal geschriebene In-
formation nicht wieder gelÄoscht werden kann. Eine weitere Perspektive fÄur
die Forschung auf diesem Gebiet liegt in der Variation der NanotÄurme. In die-
sem Zusammenhang wÄaren Untersuchungen in AbhÄangigkeit von TurmgrÄo¼e
oder -material denkbar. Durch geeignete Materialkombinationen kÄonnte dies fÄur die Konstruktion von NanotÄurmen mit mehreren Sollbruchstellen verwen-
det werden. Dadurch wÄare ein ÄUbergang von WORM (write once read many
times)-Bauteilen zu WSRM (write several times read many times)-Bauteilen
denkbar.
Es wurden folgende Modi¯kationsprozesse beobachtet: Statische Modi¯-
kation in Wasser und Hexanol resultiert in einem Bruch der NanotÄurme am
unteren Ende. Hier hat sich gezeigt, da¼ die Grenz°Äache zwischen dem Turm-
material SiO2 und dem Substratmaterial Si eine entscheidende Rolle spielt.
Sie dient als Sollbruchstelle fÄur den Bruchproze¼ in diesem System. WÄahrend
Sollbruchstellen in makroskopischen technologischen Anwendungen seit lan-
ger Zeit bekannt sind, ist mit dem in dieser Arbeit verwendeten System die
erste Sollbruchstelle auf der Mikro- bzw. Nanometerskala nachgewiesen. Ver-
gleicht man die Ergebnisse der Untersuchungen in Wasser und Hexanol mit
Experimenten in SilikonÄol, so wird der lubrikative Ein°u¼ der FlÄussigkeit
deutlich. Die benÄotigten NormalkrÄafte fÄur den Bruch nehmen in der Reihen-
folge Wasser, Hexanol und SilikonÄol zu. Der Bruch der Struktur ¯ndet jedoch
stets am unteren Ende statt. Neben der unterschiedlichen Schmierwirkung
spielen bei dem Bruchvorgang auch spannungsinduzierte chemische Reaktio-
nen eine Rolle.FÄuhrt man das Experiment dagegen in KochsalzlÄosung durch, so beobach-
tet man einen neuen Modi¯kationsproze¼: die NanotÄurme erodieren langsam
von der Spitze her. Um diesen Modi¯kationsproze¼ auszulÄosen, reichen KrÄafte
aus, die inWasser zum Abbilden ohne Modi¯kation der Probe verwendet wer-
den. Hier genÄugt also eine geringe Krafteinwirkung durch die RKM-Spitze in
Kombination mit einem Korrosionsproze¼ durch die KochsalzlÄosung fÄur die
Modi¯kation der Proben. Erosionsprozesse wurden in Wasser nur bei Experi-
menten mit dem dynamischen Modi¯kationsmodus beobachtet. Im Gegensatz
zu dem statischen Experiment in KochsalzlÄosung handelt es sich in diesem
Fall jedoch um rein mechanischen Verschlei¼. Es wurde gezeigt, da¼ an die-
sem System in Wasser keine chemische Reaktion und damit keine Korrosion
auftreten. treten.
Neben diesen Untersuchungen der Modi¯kationsprozesse wurden Rei-
bungsmessungen durchgefÄuhrt. Durch simultane Detektion von Lateralkraft
und Topographie konnte die Bewegung der Spitze beim Abbilden und Mo-
di¯zieren eines Nanoturmes verdeutlicht werden. Au¼erdem wurden die
Reibungsmessungen in allen verwendeten FlÄussigkeiten benÄotigt, um Äuber
den Reibungskoe±zienten deren Schmierwirkung fÄur die verwendete Ma-
terialkombination zu bestimmen. Auch Messungen zur Geschwindigkeits-
abhÄangigkeit der Reibung wurden durchgefÄuhrt.
Es kÄonnen also mit Hilfe der in dieser Arbeit vorgestellten Techniken
in verschiedenen Umgebungen alle elementaren Prozesse der Tribologie auf kleiner Skala untersucht werden: Reibung, Bruch, Schmierung, mechani-
scher Verschlei¼ und Verschlei¼ durch Korrosion. Auf diese Weise kann das
VerstÄandnis fÄur diese mikro- und nanoskopischen VorgÄange vertieft werden,
was fÄur Anwendungen in der Mikrotechnologie von gro¼er Bedeutung ist. Da
makrotribologische Prozesse eng mit den entsprechenden VorgÄangen auf klei-
ner Skala verknÄupft sind, kÄonnen diese Untersuchungen auch Auswirkungen
auf technische Anwendungen auf makroskopischer Skala haben.