DE10321931B4 - Verfahren zur berührungslosen Anregung von Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten Federbalken eines Rasterkraftmikroskops - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Anregung von näherungsweise freien Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM), dadurch gekennzeichnet, dass der einseitig eingespannte Federbalken in einem Abstand von bis zu einigen Zentimetern über eine Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein gasförmiges Koppelmedium vorhanden ist,
dass die Oberfläche in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt wird,
dass die durch die Schwingungsrichtung vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert wird, so dass der Federbalken durch die von der Oberfläche in das gasförmige akustische Koppelmedium abgestrahlte Scherwellen berührungslos zum Schwingen angeregt wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM).
• Mit der Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (RKM) konnten bereits große Erfolge auf dem Gebiet der Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere bei der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften erzielt werden. Erstmals ist es möglich, Informationen über Oberflächen und oberflächennahe Bereiche verschiedenster Proben mit einer Auflösung von Nanometern, ja sogar bis zur Größenordnung von Einzelatomen zu erhalten. Eines der ältesten Phänomene der Technik, die Reibung, konnte mit Hilfe der aus der RKM weiterentwickelten Reibungsmikroskopie oder Lateralkraftmikroskopie erstmals auf dieser Skala untersucht werden.
• Aus der DE 43 24 983 C2 geht hierzu ein akustisches Mikroskop hervor, das auf der Technologiebasis eines Rasterkraftmikroskopes arbeitet und sowohl die Topographie als auch die Elastizitäteigenschaften einer Probenoberfläche zu vermessen vermag. Das Kraftmikroskop weist einen als Blattfeder ausgebildeten Federbalken, typischerweise mit einer Länge zwischen 100 μm und 500 μm auf, an dessen einem Ende eine pyramidenartig geformte Messspitze mit einem Spitzenkrümmungsradius von etwa 50 Nanometer angebracht ist.
• Um die Probenoberfläche möglichst ganzheitlich zu vermessen und zu erfassen, wird mit Hilfe einer geeigneten Bewegungsvorrichtung der Federbalken und die damit verbundene Messspitze über die Probenoberfläche derart gerastert, dass die Messspitze mit einer vorgebbaren Auflagekraft mit der Probenoberfläche an jedem einzelnen Rasterpunkt mit der Probenoberfläche in Kontakt tritt. Mit Hilfe einer optischen Sensoreinheit ist es möglich, den Grad der Durchbiegung des Federbalkens und damit die topographiebedingte Auslenkung der Messspitze zu erfassen. Die optische Sensoreinheit sieht üblicherweise eine Laserdiode vor, aus der ein Laserstrahl auf den Federbalken gerichtet austritt, an dem Federbalken reflektiert wird und von einer positionsempfindlichen Fotodiode detektiert wird. Über eine Regelschleife wird der Federbalken inklusive Messspitze während des Abrasterns senkrecht zur Probenoberfläche derart aktiv nachgeführt, so dass die Auslenkung des Federbalkens bzw. die Auflagekraft mit der der Federbalken über die Messspitze auf der Probenoberfläche aufliegt, konstant bleibt. Die zur Auslenkung erforderliche Regelspannung wird typischerweise in einen Distanzwert umgerechnet und als Farbwert kodiert entsprechend in eine Darstellung gebracht, aus der die Oberflächentopographie letztlich entnehmbar ist.
• Um zusätzlich die elastischen Eigenschaften der Probenoberfläche ermitteln zu können, ist ein Ultraschallwellengenerator vorgesehen, der die Probenoberfläche in Oszillationen versetzt, während die Messspitze an einem Rasterpunkt auf der Probenoberfläche aufliegt. Die Schwingungsanregung durch die Ultraschallwelleneinkopplung führt zu Normalschwingungen der Probenoberfläche, durch die der Federbalken in hochfrequente oszillierende Biegeschwingungen längs seiner Erstreckung versetzt wird.
• Durch Detektion des ultraschall-induzierten, hochfrequenten Schwingungsverhaltens des Federbalkens können Rückschlüsse auf die Elastizitätseigenschaften, insbesondere bei einem Normalschwingungen ausführenden Federbalkens auf die Kompressionssteifigkeit der Probenoberfläche gewonnen werden. Weitere Einzelheiten hierzu können der vorstehend genannten DE 43 24 983 C2 entnommen werden.
• Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Resonanzmessung mit vertikaler Schwingungsmodulation, d.h. die zu untersuchende Probenoberfläche wird zu Normalschwingungen angeregt, geht aus der US 5,804,708 ein Kraftmikroskop zwar mit ähnlichen Aufbau hervor, jedoch erfolgt die Schwingungsanregung der zu untersuchenden Probe mit Hilfe eines Signalgenerators derart, dass die Probenoberfläche lateral zur Probenoberfläche orientierte Oszillationen ausführt, die insbesondere transversal in Bezug zur Längserstreckung des Federbalkens gerichtet sind.
• Durch die transversal zur Längserstreckung des Federbalkens gerichtete Schwingungsanregung, gerät der Federbalken über die mit der Probenoberfläche in Kontakt befindlichen Messspitze in Torsionsschwingungen, wobei die zumindest zeitweise mit der Probenoberfläche in Kontakt befindliche Messspitze längs zur Probenoberfläche gerichtete Oszillationen ausführt, die quer zur Federbalkenlängserstreckung gerichtet bzw. polarisiert sind. Jeweils an den Bewegungsumkehrpunkten der Oszillationen gerät die Messspitze kurzzeitig in Haftung mit der Probenoberfläche, die durch lateral zur Probenoberfläche wirkende Scherkräfte deformiert wird, bis die Messspitze aus dieser durch Reibung zu beschreibenden Situation wieder über die Probenoberfläche zurückgleitet.
• Die sich in Abhängigkeit der Auflagekraft, mit der die Messspitze auf der Probenoberfläche aufliegt, an den Bewegungsumkehrpunkten ausbildenden Scherdeformationen beeinflussen das Schwingungsverhalten der Messspitze und damit verbunden des Federbalkens in einer die Elastizitätseigenschaften der Probenoberfläche charakterisierenden Weise. Somit ist es möglich, aus dem Schwingungsverhalten, bspw. aus der Schwingungsamplitude, -frequenz und/oder -phase der sich in Form von Torsionsschwingungen längs des Federbalkens ausbildenden Oszillationen Aussagen über die Elastizitätseigenschaften, insbesondere über die Scherkontaktsteifigkeit der Probenoberfläche zu treffen.
• Grundsätzlich werden zwei Betriebsarten in der dynamischen Reibungsmikroskopie voneinander unterschieden. Die einfachere Betriebsart betrifft die Anregung des Federbalkens unterhalb seiner Schwingungsresonanz. Man verwendet diese Betriebsart zur Erfassung der Reibung bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Messspitze und Probenoberfläche, zur Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Probenwerkstoffen. Dabei wird die Amplitude und/oder die Phasenverschiebung der Schwingung des Federbalkens gegenüber der Anregungsschwingung aufgezeichnet und entsprechend ausgewertet.
• Die andere Betriebsart sieht eine Schwingungsanregung des Federbalkens bei seiner Schwingungsresonanz vor. So hängt bspw. die Lage der Resonanzfrequenz der Torsionsschwingung des Federbalkens von der Reibkraft ab, die zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkt. Ferner wird die Reibkraft von den elastischen Eigenschaften der Werkstoffe von Tastspitze und Probe beeinflusst.
• Bei der letztgenannten Betriebsart wird lediglich die Lage der Resonanz des Federbalkens untersucht, nicht jedoch die absolute Torsions-Schwingungsamplitude wie beim erst genannten Fall. Sind Länge, Breite und Dicke des Federbalkens sowie die Länge der Messspitze. und die elastischen Konstanten des Balkenmaterials und dessen Massedichte bekannt, so ist es möglich aus der Torsions-Resonanzfrequenz die sogenannte laterale Kontaktsteifigkeit oder Scher-Kontaktsteifigkeit zu berechnen.
• Gleichsam der vorstehenden Methode kann über die Biegeresonanzen des Federbalkens die vertikale oder Kompressions-Kontaktsteifigkeit bestimmt werden. Hierbei lehrt die Erfahrung, dass eine präzisere Bestimmung der Kompressions-Kontaktsteifigkeit nicht über die absolute Lage der Kontaktresonanz, sondern über deren Verschiebung gegenüber der entsprechenden freien Biege-Resonanz des einseitig eingespannten Federbalkens möglich ist.
• Zur Ermittlung der freien Biegeresonanzen kann zu deren Anregung prinzipiell ein Schwingelement eingesetzt werden, das an der Aufhängung des einseitig eingespannten Federbalkens angebracht ist und den Federbalken zu vertikal polarisierten Biegeschwingungen anregt. Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Anregung über ein Schwingelement durchzuführen, welches unter der zu untersuchenden Probe angebracht ist, durch das die Probenoberfläche in Vertikalschwingungen versetzt wird. Siehe auch U. Rabe, K. Janser, W. Arnold, Rev. Sci Instrum. 67 (1996) 3281. Oberhalb der Probe entstehen durch die Normalschwingungen der Probenoberflächen Longitudinalwellen, die sich über die Luft fortpflanzen. Der Federbalken, der einseitig eingespannt ist und in einem Abstand von der schwingenden Oberfläche gehalten wird, wird durch die Schallwellen in Biegeschwingung versetzt, die bei entsprechender Anregungsfrequenz in Resonanz geraten, deren Resonanzfrequenzen exakt vermessbar sind.
• Ebenso wie im vorstehenden Fall für die Messung der Kompressions-Kontaktsteifigkeit, ist es auch für die Scher-Kontaktsteifigkeit von Vorteil, nicht die absolute Torsions-Resonanzfrequenz des Federbalkens, sondern deren Verschiebung gegenüber der entsprechenden freien Torsions-Resonanz zu ermitteln. Die freie Resonanz kann mit einem Scherschwinger-Element angeregt werden, das an der Aufhängung des einseitig eingespannten Federbalkens angebracht ist, wie es aus einem Artikel von S. Nakanao, R. Maeda, K. Yamanaka, Jpn. J. Appl. Phys: 36 (1997) 3265, hervorgeht.
• Diese Vorgehensweise ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden:
• 1. Die Schwingelemente an der Aufhängung des Federbalkens müssen aufgrund ihres geringen Einbauvolumens miniaturisiert sein. Die miniaturisierten Schwingelemente können nicht auf eine große Frequenz-Bandbreite ausgelegt werden. Zudem weisen derartige miniaturisierte Elemente störende Eigenresonanzen auf, die zu Fehlinterpretationen der Kontaktresonanzen führen.
• 2. Die Anregung über die Aufhängung des Federbalkens führt wegen Querkopplungs-Effekten auch zur Anregung von unerwünschten Biegeschwingungen des Federbalkens. Auch können somit gekoppelte, nichtlineare Moden auftauchen, die eine Analyse erschweren oder gar unmöglich machen.
• 3. Kommerziell erhältliche Geräte müssen aufwendig umgebaut werden, was sich nachteilhaft auf den Kostenaspekt auswirkt.
• Aus einem Artikel von F.L. Degertekin et al., „Actuation and characterization of atomic force microscope cantilevers in fluid byacoustic radiation pressure", Appl. Phys. Lett. 78, pp. 1628-1630 (2001) ist die Schwingungsanregung eines RKM-Federbalkens mit Hilfe eines über einen Flüssigkeitstropfen mit dem Federbalken akustisch gekoppelten Schwingers entnehmbar. Zur fokussierten Schallwelleneinkopplung in den Federbalken sieht der Piezoschwinger eine Fresnelstruktur auf seiner Oberfläche vor.
• Aus dem Beitrag von Kawagishi et al., „Mapping of lateral vibration of the Tip in atomic force microscopy at the torsional resonance of the cantilever", Ultramicroscopy 91, pp. 37-48 (2002), ist ein ähnlicher Aufbau wie im vorstehenden Artikel beschrieben, lediglich wird gezeigt, dass eine Schwingungsanregung des RKM-Federbalkens auch ohne Vorsehen eines Flüssigkeitstropfens möglich ist. In allen bekannten Fällen erfolgt eine Schwingungsanregung mit senkrecht zur Federbalkenerstreckung auslenkbaren Oberflächen seitens der eingesetzten Schwingersysteme.
• Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anregung freier Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM) derart anzugeben, dass die vorstehenden Nachteile vermieden werden. Insbesondere gilt es, das freie torsionale Resonanzverhalten des Federbalkens zu untersuchen mit möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln. Die hierzu zu treffenden Massnahmen sollen vorzugsweise bei allen bereits im Einsatz befindlichen Rasterkraftmikroskopen, die nach dem Reibkraftprinzip arbeiten, ohne großen Aufwand anwendbar sein.
• Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung zu entnehmen.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Anregung von näherungsweise freien Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM), derart weitergebildet, dass der einseitig eingespannte Federbalken in einem Abstand von bis zu einigen Zentimetern über eine Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein gasförmiges Koppelmedium vorhanden ist, vorzugsweise Umgebungsluft, bei normalen Druck- und Temperaturbedingungen.
• Die Oberfläche wird in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt wird, wobei die durch die Schwingungsrichtung vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert wird, so dass der Federbalken durch die von der Oberfläche in das gasförmige akustische Koppelmedium abgestrahlte Scherwellen berührungslos zum Schwingen angeregt wird.
• Es hat sich herausgestellt, dass durch die vorstehend bezeichneten Lateralschwingungen der Oberfläche Scherkräfte über das gasförmige Koppelmedium zwischen der Oberfläche und dem einseitig eingespannten Federbalken auf diesen derart übertragen werden, so dass der Federbalken zur Ausführung von Torsionsschwingungen angeregt wird. Mit diesem Anregungsprozess ist es möglich, eine gezielte Anregung zu Torsionsschwingungen innerhalb des Federbalkens zu erzielen, auch wenn sich der Federbalken einige wenige Zentimeter, d.h. typischerweise bis maximal 5 bis 6 cm über der lateral schwingenden Oberfläche befindet und das zwischen der Oberfläche und dem Federbalken vorherrschende akustische Koppelmedium die Umgebungsluft ist.
• Wenngleich die zum Stand der Technik beschriebene kontaktlose Schwingungsanregung eines einseitig eingespannten Federbalkens zur Ausübung freier Biegeresonanzen mit Hilfe der weitgehend orthogonal auf den Federbalken einwirkenden Schallwellen aufgrund lokaler Schalldruckunterschiede, in leicht verständlicher Weise als probates Mittel zur Schwingungsanregung angesehen werden kann, vermögen sich die Wirkmechanismen, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegen, nicht in nahe liegender Weise zu erschließen. So ist es durchaus erstaunlich, dass ein zwischen der lateral schwingenden Oberfläche und dem Federbalken eingeschlossenes Luftpaket durch die Oberflächenschwingungen hervorgerufene Scherkräfte in einer derart wirkungsvollen Weise auf den beabstandet über der Oberfläche einseitig eingespannten Federbalken berührungslos zu übertragen vermag, so dass dieser zur Ausübung von Torsionsschwingungen mit detektierbarer Amplituden angeregt wird.
• Auf der Basis dieser Erkenntnis ist es überdies vorzugsweise möglich, durch Erhöhungen der Luftdruckbedingungen oder durch Einsatz geeigneter alternative Gase, mit beispielsweise gegenüber Luftmolekülen schwereren Gasbestandteilen oder gar flüssigen Medien, den Schwingungsanregungsmechanismus zu verbessern, wenngleich das Anregen freier Torsions-Resonanzschwingungen innerhalb des einseitig eingespannten Federbalkens selbst unter normalen Luftdruckbedingungen möglich ist.
• Zur Anregung freier resonanter Torsionsschwingungen des Federbalkens ist es erforderlich, dass die in Lateralschwingungen versetzte Oberfläche innerhalb eines Schwingungsfrequenzbereiches durchgestimmt wird, in dem resonante Torsionsschwingungen des frei schwingenden Federbalkens enthalten sind. Im Falle einer resonanten Schwingungsanregung treten am Federbalken resonante Torsionsschwingungsüberhöhungen auf, die der weiteren Untersuchung zur Bestimmung der Scher-Kontaktsteifigkeit von Probenoberflächen zugrunde gelegt werden können.
• Um den apparativen und verfahrenstechnischen Aufwand zur resonanten Anregung von Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten Federbalken eines Rasterkraftmikroskops möglichst gering zu halten, kann bereits die zu untersuchende Probenoberfläche, deren Scher-Kontaktsteifigkeit und/oder deren Reibungseigenschaft es gilt zu ermitteln, als lateral schwingende Oberfläche verwendet werden, um die freien Torsions-Schwingungsresonanzen des Federbalkens zu ermitteln. Eine derartige Messanordnung ist dem im Weiteren beschriebenen Ausführungsbeispiel im Einzelnen zu entnehmen.
• Zum Erfassen der von dem Federbalken ausgeführten Schwingungen, insbesondere der Torsionsschwingungen, dient in an sich bekannter Weise ein lichtunterstützter Messsensor, der das Schwingungsverhalten des Federbalkens berührungslos zu detektieren vermag, wie es bereits aus der an sich bekannten Rastermikroskop-Technik bekannt ist. Alternativ bietet sich zum Erfassen des Schwingungsverhaltens des Federbalkens, d.h. im Hinblick auf Amplitude, Phase oder Schwingungsrichtung der Einsatz eines aus piezoelektrischem Material gefertigten Federbalkens an, dessen durch Deformation hervorgerufenen elektrischen Spannungsvariationen durch einen geeigneten Spannungsabgriff erfasst und entsprechend ausgewertet werden können.
• Sind die freien Torsions-Schwingungsresonanzen in der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Weise ermittelt worden, so ist es im Weiteren möglich, durch bloßes Absenken des Federbalkens auf die zu untersuchende Probenoberfläche derart, dass die am Federbalken angeordnete Messspitze in Kontakt mit der Probenoberfläche gerät, die Messung der Scher-Kontaktsteifigkeit bzw. die Messung weiterer tribologischer Eigenschaften der Probenoberfläche durchzuführen.
• Kurze Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
• 1 schematisierter Messaufbau zur anregungsfreier Torsionsschwingungen eines Federbalkens sowie
• 2 Darstellung eines Messdiagramms.
• Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
• 1 zeigt eine schematisierte Zusammenstellung aller Komponenten zur Anregung eines einseitig eingespannten Federbalkens 3, der an einer Aufhängung 4 angebracht ist, zur Ausübung freier Torsions-Schwingungsresonanzen.
• Auf einer geeignet ausgebildeten Unterlage bzw. Halterung 6 ist ein Scherschwinger-Element 1 befestigt, das vorzugsweise aus piezoelektrischem Material gefertigt ist und mittels geeigneter elektrischer Anregung derart in Schwingungen versetzbar ist, dass die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 in laterale längs einer Schwingungsrichtung polarisierte Schwingungen versetzt wird. Auf der Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 ist eine zu untersuchende Probe 2 mittels eines geeigneten Koppelmittels (7), beispielsweise eine Klebstoffschicht, aufgebracht, die gleichsam der Oberfläche 8 in laterale, linear polarisierte Schwingungen (siehe Pfeildarstellung in 1) angeregt wird.
• Beabstandet von der Probenoberfläche der Probe 2 ist der Federbalken 3, an dessen freiem Ende eine Messspitze angebracht ist, positioniert, der einseitig mit einer Aufhängung 4 gekoppelt ist. Typischerweise weist der Federbalken eine Länge von bis zu 600 μm und eine Breite von bis zu 80 μm auf und ist in einem Abstand von wenigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern (maximal 4 bis 6 cm) von der Probenoberfläche der Probe 2 beabstandet angebracht. Der Federbalken 3 ist dabei derart ausgerichtet, dass seine Längsachse senkrecht zur Schwingungsrichtung oder Polarisation des Scherschwinger-Elementes 1 zeigt. Rein optional kann die Aufhängung 4 zusätzlich mit einem Dickenschwinger 5 versehen sein, der den Federbalken 3 für kombinierte Untersuchungen in Biegeschwingungen versetzen kann.
• Aufgrund des eingangs geschilderten Effektes der Übertragung von Scherkräften über die zwischen der Probenoberfläche und dem Federbalken vorhandene Luft, wird der Federbalken 3 über die in der Ebene schwingende Oberfläche der Probe 2 sowie des Scherschwinger-Elementes 1 in Torsionsschwingungen versetzt.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist zumindest vorgesehen, dass die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes 1 größer ist als die Projektion jener Fläche auf die Oberfläche 8, die von dem Federbalken 3 überdeckt wird. Ebenso ist es vorteilhaft, die Probenoberfläche der Probe 2 größer zu bemessen, als die senkrechte Projektion der Fläche des Federbalkens über der Probenoberfläche der Probe 2. Auch ist es vorteilhaft die laterale Probendimension 2 kleiner als die Oberfläche 8 des Scherschwinger-Elementes zu wählen, wie es auch in 1 dargestellt ist, sodass sich die Probe 2 mit ihren Probenseitenwänden über die Oberfläche 8 erhebt.
• Nicht in 1 dargestellt ist das Messsensorsystem, mit dem das Schwingungsverhalten des Federbalkens 3 erfasst wird. Hierzu wird auf die an sich bekannte Technik zur berührungslosen Erfassung des Schwingungsverhaltens des Federbalkens 3 verwiesen, beispielsweise unter Verwendung eines lichtunterstützten Messsensors.
• Wird das Scherschwinger-Element 1 mit einer sinusförmigen elektrischen Spannung mit konstanter Amplitude angeregt und zugleich die Anregungsfrequenz kontinuierlich durchfahren, während die Amplitude der Torsionsschwingung des Federbalkens aufgezeichnet wird, so erhält man ein Schwingungsspektrum, wie es in 2 dargestellt ist, längs dessen Abszisse die Schwingungsfrequenzen und längs dessen Ordinate die Signalamplituden aufgetragen sind. So zeigt das Schwingungsspektrum diskrete Resonanzen, deren Lage für einen Federbalken 3 mit bestimmten geometrischen Abmessungen und einem bestimmten Schubmodul charakteristisch sind.
• Aus den freien Torsionsresonanzen, insbesondere in Verbindung mit den freien Biegeresonanzen, die durch den Dickenschwinger 5 induziert werden können vorzugsweise erfolgt dies zeitlich getrennt von der Erfassung der Torsionsresonanzen – ist es möglich, die effektiven geometrischen Daten des Federbalkens 3 zu gewinnen, die benötigt werden, um quantitative Aussagen über elastische und/oder Reibungseigenschaften der zu untersuchenden Probe 2 zu gewinnen.
• Überdies kann mit Hilfe der freien Torsions- und Biegemoden in kürzester Zeit überprüft werden, ob der Federbalken 3 dem allgemeinen Modell des Biegebalkens entspricht und für quantitative Messungen überhaupt eingesetzt werden kann.
• Auch kann die freie Resonanzfrequenz dazu verwendet werden, Informationen über den Federbalken wie z. B. dessen Geometrie, Elastizität, vertikale und laterale Federkonstante zu erhalten.

1

Scherschwinger-Element

2

Probe

3

Federbalken

4

Aufhängung

5

Dickenschwingung

6

Halterung

7

Koppelmittel

8

Oberfläche des Scherschwinger-Elementes

Claims (10)

1. Verfahren zur Anregung von näherungsweise freien Torsionsschwingungen in einem einseitig eingespannten, über eine Längserstreckung verfügenden Federbalken eines Rasterkraftmikroskops (RKM), dadurch gekennzeichnet, dass der einseitig eingespannte Federbalken in einem Abstand von bis zu einigen Zentimetern über eine Oberfläche angeordnet wird, zwischen der und dem Federbalken ein gasförmiges Koppelmedium vorhanden ist, dass die Oberfläche in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen versetzt wird, dass die durch die Schwingungsrichtung vorgegebene Polarisationsachse senkrecht zur Längserstreckung des Federbalkens orientiert wird, so dass der Federbalken durch die von der Oberfläche in das gasförmige akustische Koppelmedium abgestrahlte Scherwellen berührungslos zum Schwingen angeregt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als gasförmiges Medium Luft, vorzugsweise unter atmosphärischen, Normalbedingungen verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche in Schwingungen versetzt wird, deren Schwingungsfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches durchgestimmt wird, in dem resonante Torsionsschwingungen des frei schwingenden Federbalkens auftreten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federbalken mit einer Länge von bis zu 600 μm und einer Breite von bis zu 80 μm verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als schwingende Oberfläche eine mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops zu untersuchende Probenoberfläche verwendet wird, die zur Schwingungsanregung mit einem Scherschwingerelement gekoppelt wird und über der der mit einer Messspitze ausgestattete Federbalken positioniert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die angeregten Schwingungen des Federbalkens sensoriell erfasst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Federbalkens nach Amplitude, Phase und/oder der Schwingungsrichtung mit Hilfe eines lichtunterstützten Messsensors berührungslos erfasst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen des Federbalkens nach Amplitude, Phase und/oder Schwingungsrichtung durch Verwendung eines piezoelektrischen Federbalkens erfasst werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbalken und die Oberfläche derart dimensioniert werden, dass der Federbalken eine in Projektion auf die Oberfläche die Oberfläche bedeckende Fläche aufweist, die zumindest am freien Ende des Federbalkens allseits oder wenigstens teilweise von der Oberfläche umgeben wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erfassen des näherungsweise freien Torsions-Schwingungsverhaltens des Federbalkens die Messspitze des Federbalkens zur Messung der Scher-Kontaktsteifigkeit und/oder der tribologischen Eigenschaften der Probenoberfläche auf diese abgesenkt wird.