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Publié par | universitat_ulm |
Publié le | 01 janvier 2010 |
Nombre de lectures | 13 |
Langue | English |
Poids de l'ouvrage | 7 Mo |
Extrait
Nano-friction at high speeds
via Atomic Force Microscopy
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
der Fakulta¨t fu¨r Naturwissenschaften
der Universita¨t Ulm
vorgelegt von
Fengzhen Zhang
aus Feicheng, V. R. China
¨Institut fur Experimentelle Physik
Universit¨at Ulm
2010Amtierender Dekan:
Prof. Dr. Axel Groß
Gutachter:
1. Prof. Dr. sc. nat. ETH Zu¨rich Othmar Marti
2. Prof. Dr. Martin Pietralla
Tag der Promotion: 11 October, 2010NO PAINS, NO GAINS.
If little labour, little are our gains:
Man’s fortunes are according to his pains.
Robert HerrickContents
Contents i
List of Figures v
List of Tables ix
1 Introduction 1
2 Scanning Force Microscopy 3
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Mechanism of Atomic Force Microscopy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 Force mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Operation modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Force calibration methods in AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Normal force calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Lateral force calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 From macrotribology to nanotribology 13
3.1 A short review of the history of macrotribology . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Nanotribology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.2 Continuum contact mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 An apparatus to measure oscillation amplitude 21
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Calibration setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2.1 Laser focusing method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.2 Knife-edge technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Instrumental design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.1 Electric box for quartz crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3.2 Lock-in technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3.3 DAQ and Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28ii CONTENTS
4.4 Results and discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.1 Horizontal oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.2 Vertical oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4.3 Oscillation of the quartz at overtones . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5 Limits of calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 Stacked thickness vibration piezos 39
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Piezo stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 Acoustic noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6 Surface oscillation 45
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3 Direct measurements of oscillating gold particles . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.1 Extraction of the oscillation amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3.2 Results of oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3.3 Limitation of the measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4 Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.1 Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.4.2 Oscillation of the prepared sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.5.1 Distribution of the oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.5.2 Comparison to prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7 High speed friction measurements via AFM 63
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2.1 AFM mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.2.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.3 Data analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.1 Modified lateral force calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.3.2 Friction coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.3.3 Data fitting method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
7.4 Results and discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.4.1 High speed friction measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.4.2 Friction coefficients under different high speeds . . . . . . . . . . . 88
7.4.3 Determination of the oscillation direction through scratching . . . . 89
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91CONTENTS iii
8 High speed detection of lateral forces 93
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.2 Results of measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
8.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9 Conclusion 99
Bibliography 107
Appendix xi
A Labview programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
B Rotation matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
C Matlab programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
C1 Splitting three data from one file . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
C2 Calibration of friction force and normal force . . . . . . . . . . . . . xvi
C3 Binning of data and curve fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
C4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx
Index xxi
List of abbreviations xxv
Acknowledgement xxvii
Statement xxix
Curriculum Vitae xxxiiv CONTENTSList of Figures
2.1 Sketch of the interactive force to tip-sample distance . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Scheme of an Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Comparison of friction signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Tip approaching and retracting from surface . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Topography and friction images of the trace and retrace . . . . . . . . . . . 12
2.6 The absolute and offset of friction signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1 Apparent areas on macro- and nanoscale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 Bowden and Tabor’s model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Hertzian model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4 JKR model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.5 DMT and Bradley model.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.6 Maugis Dugdale adhesion map. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.1 Image of a 3MHz quartz crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.2 Laser calibration setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 Laser intensity profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4 Laser setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.5 Schematic diagram of the circuit box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.6 Correlation of the DAQ data and lock-in signals. . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.7 Diagram of the horizontal oscillation amplitude . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.8 Equivalent resistance of quartz crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.9 Oscillation speed of the quartz crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.10 Diagram of the vertical oscillation amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.11 Diagram of the vertical oscillation speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.12 Diagram of the effective resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.13 Electronic response of the quartz crystal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.14 Light profile at bad positions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.1 Sketch of the stacked piezos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.2 2D and 3D sketches of the piezo stack . . . . . . . . . . .