Options
2007
Master Thesis
Titel
FEM-Simulation der Blattfederschwingungen in der Kraftmikroskopie
Abstract
Im Jahr 1986 entwickelten Binnig et al. [1] die Rasterkraftmikroskopie, mit der die Topographie von Probeoberflächen quantitativ auf Nanometer-Skala abgebildet werden kann. Diese Methode nutzt die Wechselwirkungskräfte zwischen der Sensorspitze einer mikroskopischen Blattfeder eines Kraftmikroskops ("Atomic Force Microscope", AFM) und der Probeoberfläche. Die Blattfedern, die als kleine Euler-Bernoulli Balken betrachtet werden können, sind die Kraftsensoren. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene AFM-Techniken entwickelt. Mit der am Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) in Saarbrücken entwickelten Methode, der Ultraschall-Kraftmikroskopie ("Atomic Force Acoustic Microscope", AFAM) [2], wird nicht die Topographie einer Probenoberfläche, sondern elastische Eigenschaften, z.B. der Indentationsmodul, lokal mit einer Ortsauflösung im nm-Bereich abgebildet. Dazu werden longitudinale Ultraschallwellen im Frequenzbereich von einigen kHz bis einigen MHz von unten in das zu untersuchende Material eingeschallt. Die daraus resultierenden vertikalen Schwingungen der Probeoberfläche werden über die mit der Probe in Kontakt stehende Sensorspitze auf den Federbalken übertragen und regen diesen zu Biegeschwingungen an. Die statischen Auflagekräfte auf den Federbalken werden so gewählt, dass zwischen Sensorspitze und Probe die elastischen Kontaktkräfte dominieren. In dem am IZFP entwickelten Verfahren "Kontaktresonanzspektroskopie" wird die Frequenzverschiebung der Eigenmoden der Blattfeder bei Probenkontakt genutzt, um die Kontaktsteifigkeit zwischen Spitze und Probe zu messen und aus dieser dann den lokalen Indentationsmodul der Probenoberfläche zu bestimmen. Für die quantitative Auswertung der Messungen werden analytische Modelle für Biege- und Torsionsmoden von Balken mit rechteckigem konstantem Querschnitt verwendet. Tatsächlich besitzen die Federbalken weder einen rechteckigen noch einen konstanten Querschnitt. So können mit den analytischen Modellen nicht alle Einzelheiten der kommerziell erhältlichen Federbalken genau genug wiedergegeben werden. Mit Hilfe von Modellierungen der Federbalken mit der Finite Elemente Methode (FEM) soll die Messgenauigkeit der Kontaktresonanzspektroskopie verbessert werden.
ThesisNote
Saarbrücken, Univ., Master Thesis, 2007
Verlagsort
Saarbrücken
Tags