Temperatur aktiviert Kontakt­alterung in Silizium­dioxid-Nano­kontakten

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, DOI: 10.1103/PhysRevX.9.041045Externer Link