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Modulations-Reibungsmikroskopie in der Hebelarm-Biegeresonanz zur Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften im UHV

Krischker, Karsten


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Modulations-Reibungsmikroskopie , Hebelarm-Biegeresonanz , UHV
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Angewandte Physik
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.06.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 05.07.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kraftmikroskop aufgebaut, das mittels Lock-In-Technik eine neu entwickelte
Modulations-Reibungsmikroskopie unter sauberen Bedingungen ermöglicht.
Ausgehend von theoretischen Überlegungen zu den verschiedenen Schwingungsmoden des Hebelarms wurde eine Meßart gewählt, bei
der der Hebelarm zu Biegeresonanzschwingungen angeregt wird. Die Anregung erfolgt hierbei über die Kraft- und Reibungskopplung am
Kontakt der Tastspitze mit der modulierten Probe.


Zunächst wurden die möglichen Abbildungskontraste zur Modulations-Reibungsmikroskopie näher untersucht. Bei der Analyse der
Biegeresonanzkurve zeigte sich, daß das System des schwingenden Hebelarms in Verbindung mit der Reibungskopplung als nichtlinearer
Oszillator beschrieben werden kann. Die Reibungsverluste des Systems machen sich dabei als Dämpfung der Oszillation bemerkbar. Die
Abhängigkeit der Verlustleistung von der Modulationsamplitude der Probenschwingung konnte mit einem einfachen Feder-Masse-System
erklärt werden. Die Größenordnung der Verlustleistung wird mit Hilfe der Theorie des schwingenden Balkens bestimmt und liegt auf
HOPG-Proben bei einigen Nanowatt.


Das beobachtete nichtlineare Schwingverhalten läßt weiterhin auf eine Haft-Gleitbewegung der Tastspitze schließen, welche zum einen bei
einem materialabhängigen charakteristischen Schwellenwert der Modulationsamplitude einsetzt und zum anderen von der Stärke der
Auflagekraft abhängt.


Ausgehend von diesen Resultaten wurde ein Meßmodus entwickelt, der bei fester Frequenz in der Nähe der Biegeresonanz eine
praktikable Meßzeit erlaubt (ca. 40 min/Bild). Verschiedene Einflüsse auf den Bildkontrast, die aber nicht der Reibung zuzusprechen sind
wie z.B. lokale Oberflächenmorphologien, konnten ebenfalls erklärt und zum Teil durch geeignete Maßnahmen reduziert werden.


Mit diesem Verfahren wurde beobachtet, daß Oberflächenverunreinigungen einen massiven Bildkontrast erzeugen, der hauptsächlich durch
die viskose Dämpfung der Spitzenoszillation durch Adsorbate bewirkt wird. Es wurde einerseits festgestellt, daß je nach
Verschmutzungsgrad diese Verunreinigungen zum Teil mit der Tastspitze über die Oberfläche verteilt werden.
Andererseits können auf sauberen Oberflächen oder bei nur geringer Verschmutzung Verunreinigungen an der Tastspitze auf diese Weise
an Kanten und Stufen wieder entfernt werden. Wie Aufnahmen im Rasterelektronenmikroskop zeigen, ist die Tastspitze außerdem einem
ständigen Verschleiß durch Abrieb unterworfen. Der Verrundungsradius am Spitzenapex verschlechtert sich dabei nach ungefähr
100~Meßbildern von anfänglich 15 nm auf einige 100 nm. Bei glatten sauberen Proben hat dies allerdings keinen meßbaren Einfluß auf die
Abbildungsqualität.


Auf sauberen Oberflächen wurde der Einfluß des Kristallgitters auf die Abbildungskontraste untersucht. Dabei zeigte sich, daß in den
lokalen Haft-Gleitzyklen der Hebelarmschwingung höherfrequente Anteile enthalten sind, deren Ursache in der Periodizität des Gitters liegt.


Erstmals gelang es diesen Effekt meßtechnisch so auszunutzen, um einen von der Kristallorientierung abhängigen Kontrast mit der
Modulations-Reibungsmikroskopie zu erzielen. So konnte auf HOPG die Fläche einzelner Körner mit unterschiedlichem Kontrast
abgebildet werden, obwohl in der gleichzeitig gemessenen, nahezu atomar glatten Topographie diese Körner nicht zu erkennen waren. In
Zukunft sollte es auch möglich sein, mit dem in dieser Arbeit vorgestellten Meßverfahren auf anderen Probenmaterialien unterschiedliche
Gitterorientierungen großflächig abzubilden.