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Nichtlineare Kontaktresonanzspektroskopie zur Messung der Kontakt- und Adhäsionskräfte in der Kraftmikroskopie

 
: Rupp, D.

Saarbrücken, 2006, 94 S.
Saarbrücken, Univ., Dipl.-Arb., 2006
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IZFP ()
nichtlineare Schwingung; Heterodyn-Interferometer; Atomic Force Acoustic Microscopy; AFAM

Abstract
In der Rasterkraftmikroskopie werden üblicherweise mikroskopische Blattfedern als Kraftsensoren verwendet, an deren freiem Ende sich die Sensorspitze befindet. Die an die Sensorspitze angreifenden physikalischen Kräfte können vielfältiger Natur sein und lassen unter Anderem Rückschlüsse auf die lokalen Eigenschaften der Probe zu. Die wirkenden Kräfte sind eine nichtlineare Funktion des Abstands und können Hysteresen beinhalten. Diese Abhängigkeit wird mit der so genannten Kraftkurve wiedergegeben.
Bei der akustischen Rasterkraftmikroskopie (AFAM), die am Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) entwickelt wurde, wird der Sensorbalken über den Probenkontakt mit einem unter der Probe befindlichen Longitudinal-Ultraschallprüfkopf zu Biegeschwingungen angeregt. Werden die statischen Auflagekräfte der Sensorspitze auf die Probe so gewählt, dass im direkten mechanischen Kontakt die elastischen Kräfte dominieren, so kann über das Schwingungsverhalten der Blattfeder auf elastische Eigenschaften der Probe geschlossen werden. Dies wird in dem ebenfalls am IZFP entwickelten Verfahren der linearen Kontaktresonanzspektroskopie genutzt. Die dabei verwendete lineare Näherung der Kontaktkräfte ist allerdings nur bei hohen statischen Auflagekräften und kleinen Schwingungsamplituden von Blattfeder und Probenoberfläche gültig.
Das am IZFP vorgeschlagene Verfahren der nichtlinearen Kontaktresonanzspektroskopie erlaubt die Rekonstruktion beliebiger Wechselwirkungskräfte zwischen Sensorspitze und Probenoberfläche aus den Spektren der im Probenkontakt schwingenden Blattfeder. Gegenüber bestehenden Verfahren zeichnet es sich durch die Beschreibung des Sensors als mechanisches Kontinuum aus und dass keine a priori Annahmen über die Form oder die funktionale Beschreibung der Kraftkurve notwendig sind. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde an der experimentellen Umsetzung und Quantifizierung dieses Verfahrens zur Messung der gesamten Kraftkurve gearbeitet. Die erzielten Ergebnisse und die aufgetretenen Probleme werden ausführlich diskutiert. Im theoretischen Teil der Arbeit wird eine Erweiterung des bestehenden Verfahrens um lateral wirkende Kräfte vorgeschlagen und die dazu notwendigen analytischen Zusammenhänge hergeleitet.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-54388.html