Nanomechanics and Dynamics of Tip-Substrate Interactions

Die atomaren Prozesse, die ablaufen, wenn Metalle in Kontakt gebracht und gegeneinander bewegt werden, sind grundlegend für das Verständnis einer Reihe technologisch wichtiger Vorgänge wie Bildung elektrischer Kontakte, Reibung, Verschleiß und Kaltverschweißung. Die feine Probenspitze im Feldionenmikroskop (FIM) kann herangezogen werden, um Vorgänge bei der Kontaktbildung, die Bildung von Gitterdefekten oder Kaltverschweißungen im mikroskopischen Bereich atomar aufgelöst zu untersuchen. Die Atomsonde (FIM mit Flugzeitmassenspektrometer) liefert eine Information auf atomarem Niveau über die chemische Zusammensetzung des Bereiches der Spitzenkalotte. Das Abtasten einer Metalloberfläche mit einer feinen Spitze stellt auch das Grundprinzip für die Raster-Tunnel- Mikroskopie (STM) dar. Umfangreiche Untersuchungen im STM sind bereits durchgeführt worden um auf der Probenoberfläche induzierte Defekte und Materialübertragung zu studieren. Vergleichsweise sehr wenige Untersuchungen beschäftigten sich bislang mit den Auswirkungen der Wechselwirkung auf die feine Spitze. Ziel dieses Projektes war es, die atomaren Wechselwirkungen bei der Bildung des Kontaktes mit der glatten Metalloberfläche auf der feinen Spitze zu untersuchen. Der entscheidende neue Aspekt in diesem Projekt ist, dass beide Kontaktpartner, die feine Spitze und das ebene Substrat experimentell mit Hilfe des Feldionenmikroskops, der Atomsonde und dem Rastertunnelmikroskop untersucht worden sind. Vor dem Beginn der geplanten Untersuchungen war es notwendig die apparativen Vorrausetzungen zur Durchführung der Experimente zu schaffen. Im Rahmen dieses Projektes ist ein einziges Gerät (STM) beantragt worden, leider ist nur ein Teil der erforderlichen Gerätekosten bewilligt worden. Durch Zufall konnte ein gebrauchtes, werküberholtes UHV-STM erworben werden. Die für den Betrieb erforderliche elektronische Steuerung ist abgelehnt worden. Nach dokumentiertem Stand der Technik und persönlichen Informationen von Fachkollegen ist mit Hilfe eines PCs, Interface-Karten für Signalverarbeitung, Kleinsignal und Hochspannungsverstärkern eine Steuer und Regeleinheit aufgebaut worden mit der die notwendigen Manipulationsschritte der Spitze im STM eingeschränkt durchgeführt werden konnten. Die Experimente sind nach 3 Gesichtspunkten durchgeführt worden: Annäherung der Spitze bis kurz vor die Oberfläche (Vakuumtunneln), Spitze im elektrischen Kontakt zur Oberfläche, plastische Verformung der Oberfläche durch Eindrücken der Spitze. Experimentell wird bereits vor Eintreten eines direkten mechanischen Kontakts Materialübertrag (unter einer Atomlage) auf die Spitze beobachtet. Nach mechanischem Kontakt wird Materialübertrag in Dicken von mehreren Atomlagen festgestellt. Bei Eindringtiefen über einem Nanometer lassen sich auch bereits plastische Defekte auf der Spitze beobachten. Die möglichen Prozesse die beim Kontakt der Spitze mit dem Substrat eintreten können sind in einer Reihe von theoretische Arbeiten (Molekular-Dynamik-Rechnungen) behandelt worden. Im Rahmen dieses Projektes wurden die theoretischen Vorhersagen an ausgewählten, technologisch relevanten Kontaktpaarungen experimentell überprüft und es zeigte sich qualitativ gute Übereinstimmung. Als positivstes abschließendes Ergebnis dieses Projektes kann angesehen werden, dass eine neue, in ihrer Art einzigartige Kombination (in einem gemeinsamen UHV-System) von abbildenden Verfahren mit atomarer Auflösung realisiert worden ist - ein Rastertunnelmikroskop mit Spitzenkontrolle (in atomarer Auflösung) vor und nach jedem Rastervorgang. Mit entsprechender elektronischer Ausstattung bieten sich Anwendungen des STM an bislang wenig untersuchten stärker strukturierten Substratoberflächen an.