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Temperatur aktiviert Kontaktalterung in Siliziumdioxid-Nanokontakten
02.12.2019 12:00

Das Verständnis der zeitlichen Entwicklung der Kontakt­festigkeit in Siliziumdioxid-Nano­kontakten ist von großer grundlegender und praktischer Relevanz in verschiedenen Bereichen wie Erdbeben­dynamik, Mechanismen beim Wafer­bonden sowie MEMS-Anwen­dungen. Die logarith­mische Erhöhung der Kontakt­festigkeit mit der Haltezeit, die als Kontakt­alterung bezeichnet wird, kann aufgrund des Verformungs­kriechens in Kunststoff­kontakten "quantitativ" sein. Ein alternativer Mechanismus, der als "qualitatives Altern" bezeichnet wird, ist die allmähliche Änderung der Grenzflächen­chemie, die bisher nur in Gegenwart von Feuchtigkeit beobachtet wurde. Hier präsentieren wir nanoskalige Reibungs­experimente von trockenen Silicium­dioxid­kontakten im Ultra­hoch­vakuum, die eine zeitliche Verdop­pelung der Scher­festigkeit nach einem logarith­mischen Gesetz zeigen. Wir stellen fest, dass die Alterungs­rate linear mit der Tempe­ratur skaliert und dass die Scher­spannung die relevanten Energie­barrieren verschiebt. All-Atom-MD-Simu­lationen liefern ein Live-Bild der an der Grenz­fläche auftretenden Dynamik der Bindungs­bildung. Unsere Experi­mente verknüpfen Kontakt­alterung mit thermisch aktivierter Bindungs­bildung und zeigen, dass sie auch in Abwesen­heit von Wasser­mole­külen existiert, sowie zeigen, dass sich dieser atomare Alterungs­mechanis­mus über Zeit­räume von bis zu mehreren Sekunden erstrecken kann. Qualitative Kontakt­alterung ist daher für eine Vielzahl von Material­kombi­nationen und -bedin­gungen von hoher Rele­vanz.

Publikation

Matthias Vorholzer, J. G. Vilhena, Ruben Perez, Enrico Gnecco, Dirk Dietzel, André Schirmeisen: "Temperature Activates Contact Aging in Silica Nanocontacts". Phys. Rev. X 9 (2019), 041045.


Abbildung 1

Fig. 1: Slide-hold-slide experiments performed on SiO2.
  (a) Schematic course of a typical slide-hold-slide procedure, where tip movement is paused for a defined amount of time.
  (b) Exemplary slide-hold-slide curve obtained for silica on native silica at 200 K with thold=2.1 s. The x axis is relative to the stopping point. As indi­cated in the figure, various charac­teristic quantities are evaluated around the stopping point. Especially important are the sliding friction level Fsliding (green), the static friction peak Fstatic (orange), and the contact stiffness k, which can be derived from the slope of the lateral force buildup (purple, extrapolated as dashed line).
  (c) Hold time dependence of the static friction for different tempera­tures between 200 K (yellow) and 300 K (red) measured on the native oxide layer.
  (d) Temperature dependence of the sliding friction ( v=2.5 µm/s) for the native oxide silica (crosses) fitted by a theoretical curve (blue line) ba­sed on the stan­dard model de­scri­bing ther­mally acti­vated fric­tion.

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