Tanz des Spitzenatoms auf der Oberfläche. Einfluss der Drehung im 1-Atom Modell

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1 Tanz des Spitzenatoms auf der Oberfläche Struktur von HOPG Hollow site ( 1, 2, 1, 0 ) Hölscher et al., PRB 57, 2457 (1998) Man sieht nicht die Atome, sondern nur die Zwischenräume! Einfluss der Drehung im 1-Atom Modell Beispiel: MoS Winkelabhängige Reibung Reibung Relativer Winkel ( ) Peter Köchling, Diplomarbeit (2007), Uni Münster

2 Winkelabhängigkeit der Reibung α = 60 α = 72 α = 38 Dienwiebel et al., PRL 92, (2004) Winkelabhängigkeit der Reibung Dienwiebel et al., PRL 92, (2004)

3 Zusammenbruch des 1 Atom Modells TEM-Aufnahme einer AFM Spitze, die auf HOPG benutzt wurde Lagen- Strukturen (HOPG!?) Dienwiebel, PhD Thesis (2004) Vom 1 Atom Modell zum Mehratomigen Modell Kontaktfläche 1 Atom Kontaktfläche ~ 1000 Atome

4 Vom Einzelatom zum mehratomigen Kontakt Gitterkonstante 90 % von Oberfläche Udo Schwarz, Yale University Simulation: Entwicklung der Superlubrizität Reibungskoeffizient verschwindet schnell mit Fläche -1/2 Reibungskoeffizient stiff interface soft interface Fläche Müser, Wenning, Robbins, PRL 86, 1295 (2001) σ = Längenskala des VdW Potentials

5 Verzahnung der Atome Kommemsurabel hohe Reibung Nicht-Kommemsurabel fast keine Reibung Winkelabhängigkeit der Verzahnung α = 0 α = 11.6 α = 90 (111)-Oberflächen eines FCC Kristalls - Atome in der unteren Lage - Atome in der oberen Lage Hirano et al., PRL 78, 1448 (1997) He et al., Science 284, 1650 (1999)

6 Das Eierkarton Experiment Winkelabhängigkeit der Reibung Atomare Struktur an der Spitze Winkelabhängigkeit der Reibung Dienwiebel et al., PRL 92, (2004)

7 Experimente: Das Grenzflächenproblem Relevante Grenzfläche Relevant Grenzfläche Szenario 1 Inseln abbilden Topographie

8 Szenario 2 Inseln verschieben Topographie 500 nm Manipulation von Antimon Inseln mit dem AFM Antimon Inseln auf HOPG Inseln werden durch dynamischen AFM verschoben Ritter et al., Phys Rev. B 71, (2005)

9 Oxidation der Antimon Inseln an Luft TEM der Antimon Inseln Amorphe Oxidationsschicht 20 nm 8 nm Surface: Core: amorphous antimony oxide amorphous antimony Udo Schwarz, ESF Nanotribo Conference 2007 (Fast) Weltraumbedingungen Sputter Source Gas Analyzer UHV-AFM Load Lock Metal Evaporator LEED Ultrahochvakuum: 1x10-10 mbar z. Vgl. Weltraum: ~ 1x10-13 mbar Omicron Raumtemperatur STM/AFM

10 Metallische Antimon Inseln durch Vakuumsublimation HOPG cleaved under ambient conditions, immediately introduced into the ultrahigh vacuum chamber (p < mbar) and heated in-situ to 150 C for 1 h Antimony evaporated from solid pellets at 370 C for 20 minutes =>only modestly ramified islands nm in diameter and nm in height Durchgeschnittene Insel Schiebung! Topographie (hoch) Topographie (runter) Scan Richtung 250 nm Niedrige Normalkraft Höhere Normalkraft, nahe an der Manipulationsschwelle

11 Inselverschiebung Das Experiment Vor Verschiebung: z / nm Topographie Reibungskraft Verschiebung: z / nm Nach Verschiebung: z / nm Amonton s Reibungsgesetz Auf der Nanoskala! Reibung (nn) Reibung ist proportional zur wahren Kontaktfläche! Scherspannung τ = F l /A = (5.21 ± 0.29) MPa! Inselfläche davinci

12 Verschwindende Reibung! Topographie Retraces z / nm z / nm z / nm topography Verschiebung a) friction b) c) F L / V F L / V F L / V x / µm Verschwindende Reibung! Topographie Retraces sliding Keine Reibung! z / nm z / nm z / nm topography a) friction b) Verschiebung c) F L / V F L / V F L / V x / µm

13 Dualität der atomaren Reibung! Topographie Reibung Reibungsfreie Verschiebung Normale Reibung Dualität der atomaren Reibung! Reibung (nn)? davinci Inselfläche

14 Im Dreck liegt die Lösung? Mobile Moleküle sind Haftvermittler, erlauben das Verzahnen der Oberflächen Im Dreck liegt die Lösung? Blick von oben und Querschnitt Blick von oben Nur Zwischenatome sind sichtbar Prof. M. Müser, University of Western Ontario, Kanada

15 Im Dreck liegt die Lösung! Reibungskoeffizient unabhängig von Menge an Fremdmolekülen Reibungskoeffizient Dreck Moleküle keine Moleküle Fläche Müser, Wenning, Robbins, PRL 86, 1295 (2001) Atomare Reibungsmodelle Kommensurable Oberflächen, Verzahnung der atomaren Potentiale: Amonton Reibung Nicht-kommensurable Oberflächen, keine Verzahnung der atomaren Potentiale: Superlubrizität Verzahnung nichtkommensurabler Oberflächen durch Vermittler -Moleküle: Amonton Reibung

16 Ausblick Von klein zurück nach gross Studium der Reibung an Nanokontakten sollte Rückschlüsse auf makroskopische Reibung zulassen Idealisiertes Model: Reibungskraftmikroskopie Mikroskopisch: Multiasperitätenkontakt Abbildung von einzelnen Atomen mit dem AFM? F n Einzeldefekte bei Kontakt von Spitze und Probe nicht sichtbar!

17 Spitzen-Proben-Kräfte/Potential interaction forces, surface potential F(z)=-dV/dz repulsive forces V(z) tip-sample distance attractive forces 1 Å contact non-contact intermittent contact / tapping image: B. Anczykowski, nanoanalytics GmbH Dynamische Rasterkraftmikroskopie

18 Idee des dynamischen Modus Kenngrößen: Tapping Mode - Prinzip ω ω resonanz : Federbalken wird nahe bei Resonanz angeregt A exc : Anregung der Schwingung mit konstantem Anregungssignal A, φ : Schwingungsamplitude und phase werden durch Spitze-Proben- Wechselwirkung modifiziert und dienen als Messkanäle z = Spitze-Probe Abstand : Abstand wird über Z-Piezo geregelt, so daß die Amplitude (oder alternativ die Phase = Phase Imaging) konstant bleibt. Dies bestimmt die Bildinformation! Annäherung von Spitze an Probe => Wechselwirkung ändert Resonanzkurve, Amplitude der Schwingung sinkt von A 1 A 1 A 2 Signal auf A 2 ω1 ω ω 2

19 Dynamische Rasterkraftmikroskopie Tapping-Mode Abbildung einer Hautzelle (Luft) Messungen bei Raumtemperatur im Tapping-Modus Durchschnittliche Höhe: 330 nm maximale Höhe: 0.6 µm 20 µm Richter et al. Appl. Phys. A 73, S125 (2001)

20 Abbildung von DNA/Streptavidin (Luft) sample: chimera biotec GmbH experiment: B. Anczykowski, nanoanalytics GmbH Abbildung von Biomolekülen in H 2 O AFM (Tapping-Mode); RNA polymerase II T. Rhodin et al., Cornell University, USA

21 Magnetkraftmikroskopie (engl. Magnetic Force Microscopy, MFM) Datenspur auf einer Festplatte Topographie Magnetisierung 25µm x 25µm Digital Instruments, Inc. Lift -Mode 2. Lift Scan: langreichweitige Kräfte (z.b. magnetisch) 1. Scan: Topographie

22 Probleme Tapping-Mode: FM-AFM - Motivation 1. Güte Q sehr hoch (Q=10.000, typischer Wert im Vakuum) => Empfindlichkeit sehr gross, aber Amplitude reagiert mit starker Zeitverzögerung (τ = 2Q/ω 0 = 100 ms!) auf Spitze-Proben-Kräfte => Amplitude bei grossem Q als Regelsignal nur eingeschränkt verwendbar (sehr langsames Scannen!) 2. Hohes Q => Resonanz sehr scharf, kleine Resonanzfrequenzverschiebungen haben extrem starke Auswirkung auf Amplitude 3. Hohes Q ausserdem: Schwingung extrem empfindlich auf äussere Störungen ( 1 pm Störung = 10 nm Schwingung)! FM-AFM - Motivation Lösung FM-AFM (Frequency Modulation AFM, Albrecht 1991): Prinzip Rückkopplung: Das Schwingungssignal wird mit einer festen Phase φ = 90 und einer Verstärkung G wieder als Anregungssignal genutzt, wobei G so geregelt wird, dass die Amplitude konstant bleibt. System schwingt immer in Resonanz und hat nur noch einen Freiheitsgrad (effektive Resonanzfrequenz f 0 ), quantitative Analyse möglich (siehe später) Die Verschiebung der Resonanzfrequenz f durch Spitze-Probe WW dient als Regelsignal für den Abstand f reagiert instantan auf äussere Wechselwirkungen, keine Zeitverzögerung, hohe Güte Q unproblematisch Quantitative Messungen mit sehr hoher, bis hin zu atomarer Auflösung möglich!

23 FM-AFM - Prinzip Kenngrößen: ω = ω resonanz : Federbalken wird genau an der Resonanz angeregt (Selbsterregung) A exc : Anregung der Schwingung mit variablem Anregungssignal, so dass die Schwingungsamplitude konstant bleibt A: Schwingungsamplitude wird konstant gehalten φ : Phase ist immer genau 90, da Anregung immer in Resonanz FM-AFM - Prinzip A 0 Signal ω z = Spitze-Probe Abstand : Abstand wird über Z-Piezo geregelt, so daß die Frequenzverschiebung (Abweichung der momentanen Resonanzfrequenz von der Resonanzfrequenz der freien Schwingung) konstant bleibt. Dies bestimmt die Bildinformation! ω 1 ω 0 ω

24 Atomic Resolution on Insulators with non-contact AFM NaCl in UHV at RT Cl - Na + a = 0.56 nm 4.5 nm f = -140 Hz Atomare Auflösung auf InAs(110) dynamische Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) [110] Einheitszelle: 4.27 Å x 6.04 Å [001] f 0 = 160 khz, f = -63 Hz A = 12.7 nm, T = 14 K nm laterale position Position [nm] RMS-Rauschen in z-richtung < 2 pm Auflösung vergleichbar mit Tieftemperatur-STMs! z [pm] z [pm]

25 Xenon(111) dynamische Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) f 0 = 160 khz f = -92 Hz A = 9.4 nm T = 22 K atomare Abstände: 4.5 Å ± 10 % (Experiment) 4.41 Å (Literaturwert Bulk) Korrugation: 25 pm 1 nm W. Allers et al., Europhys. Lett. 48, 276 (1999) Model: Gekoppelte Federn Gekoppelte Federn: 1. Spitze an Federbalken: k Fb 2. Spitze und Probe Kraftwechselwirkung: k ts = F/ z Also effektiv: k eff = k Fb + F/ z

26 Frequenzverschiebung durch Kraftwechselwirkung Bei kleinen Schwingungsamplituden gilt für die Kraft F SP zwischen Spitze und Probe: F/ z const über die Schwingungstrajektorie Resonanzfrequenz eines (ungedämpften) Federbalkens: Potential Kraft Kraftgradient ω² = (ω 0 + ω)² = k eff / m * (m * = effektive Masse des Federbalkens) wobei: k eff = k Fb + F/ z Abstand damit gilt für Gradienten F/ z < k Fb ω ω 0 / 2k Fb F/ z Grosse Schwingungsamplituden V(z) Parabolisches Potential Spitzen-Proben Potential Effektives Potential E D D + 2A z

27 Theorie der dynamische Kraftspektroskopie D ts z dz z D z F A c f A D f ) ( 2 1 ), ( 2 3/ 0 π Giessibl, PRB (1997) Dürig, APL 75, 433 (1999) Frequenzverschiebung: Inversion: D z ts z d D z A D f f A c D D F ), ( 2 ) ( 0 2 3/ normierte Frequenzverschiebung: ), ( ) ( 0 2 3/ A D f f c A D z = γ Hölscher et al, PRB 61, (2000) Frequenz-Abstands-Kurven Frequenzverschiebung normierte Frequenzverschiebung

28 Dynamische Rasterkraftspektroskopie Vergleich von Experiment und Simulation für Graphit-(0001)- Probe/Siliziumspitze c z = 38 N/m, f 0 = 171 khz, T = 80 K, Spitze und Probe geerdet Strich-Punkt-Linie: Nichtkontakt-Kraft (van der Waals, Lennard-Jones) Durchgezogene Linie: Hertz-Modell (elastisches Kontaktmodell) Gestrichelte Linie: Lineares Modell (k 18 N/m) Wechselwirkungskraft zwischen Spitze und Probe lokal (d. h. mit atomarer Präzision) und hochaufgelöst messbar! NC-AFM Bild von Si(111)7x7 Si(111) 7x7 Rekonstruktion NC-AFM Bild bei 7.2 K Scangröße: 6 x 6 nm mit 2nm/s Lantz et al., Science 291 (2001) konstantes df = -38 Hz

29 NC-AFM Bild von Si(111)7x7 langreichweitige van der Waals Kräfte positionsspezifische Messung Lantz et al., Science 291 (2001) kurzreichweitige Kräfte