Untersuchung der temperaturabhängigen Kontaktalterung nanoskaliger Kontakte mittels Rasterkraftmikroskopie

Abstract

Die präzise Kontrolle von tribologischen Eigenschaften auf der atomaren Ebene ist von besonderem Interesse für das Forschungsfeld der Tribologie. Dabei klaffen bisher noch Lücken im Verständnis der grundlegenden Ursachen von Reibung und deren quantitativer Beschreibung, wobei diese Arbeit einen Beitrag dazu liefern soll, um diese Lücken zu schließen. Ein Schlüsselkonzept der Tribologie ist die Beschreibung der Dynamik der Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Körpern, wodurch sowohl Gleitreibung als auch Haftreibung gleichermaßen beschrieben werden können. In Bezug auf diese Dynamik wird auch von Kontaktalterung gesprochen.Für die Beschreibung der Kontaktalterung wird zunächst eine treffende Definition derselben thematisiert, mit dem Ergebnis, dass diese sich ideal über die Steifigkeit des Kontaktes messen lässt. Zur Untersuchung wurden gezielte Messungen zur Temperaturabhängigkeit der Kontaktalterung mit einem Ultrahochvakuum-Rasterkraftmikroskop mit verschiedenen Materialkombinationen durchgeführt, wobei der Fokus dieser Arbeit auf der detaillierten Beschreibung von SiO2-SiO2-Kontakten liegt. Es wird dabei das sogenannte Slide-Hold-Slide-Protokoll für die Messungen eingesetzt.Anhand von Simulationen wird die Dynamik dieser Kontakte beschrieben, wobei sich insbesondere die Temperaturabhängigkeit als wesentlich für die Überprüfung bestehender Modelle herauskristallisiert. Dabei wurden chemische Interaktionen in der Grenzfläche als Triebfeder der Kontaktalterung identifiziert, während die mechanischen Eigenschaften nur eine untergeordnete Rolle spielen. Es wird folglich eine Zunahme der Kontaktqualität anstelle der Kontaktquantität als Ursache für Kontaktalterung der verwendeten Proben ermittelt. Mit den gewonnenen Erkenntnissen für SiO2-SiO2-Kontakte können dann Ansätze für die Beschreibung weiterer Materialkombinationen erstellt werden.Anhand der Ergebnisse wird ein direkter Zusammenhang zwischen dem Verständnis von Kontaktalterung mit den tribologischen Eigenschaften wie Gleit- und Haftreibung aufgezeigt. The precise control of tribological properties at the atomic level is of particular interest for the research field of tribology. There are still gaps in the understanding of the fundamental causes of friction and their quantitative description, and this work is intended to contribute to closing these gaps. A key concept of tribology is the description of the dynamics of the interactions between the bodies involved, whereby both sliding friction and static friction can be equally described. This dynamic is also referred to as contact aging.For the description of contact aging, an appropriate definition of it is discussed first, with the result that it can be ideally measured by the contact stiffness. For this study, specific measurements of the temperature dependence of the contact aging were performed with an ultra-high vacuum atomic force microscope with different material combinations. The focus of this work lies on the detailed description of SiO2-SiO2 contacts. The so-called slide-hold-slide-protocol is used for the measurements.The dynamics of these contacts are described on the basis of simulations, whereby the temperature dependence in particular emerges as essential for the examination of existing models. Chemical interactions in the interface were identified as the driving force of contact aging, while the mechanical properties play only a minor role. Consequently, an increase of the contact quality instead of the contact quantity as cause for contact ageing of the used samples is found. The knowledge gained for SiO2-SiO2 contacts can then be used to develop approaches for the description of further material combinations.The results show a direct correlation between the understanding of contact ageing and tribological properties such as sliding and static friction.