On the adhesion between fine particles and nanocontacts : an atomic force microscope study

Abstract

Um die Handhabung von feinen Pulvern in industriellen Anwendungen zu optimieren, ist ein Verständnis der Wechselwirkungen zwischen einzelnen Pulverteilchen eine fundamentale Voraussetzung. Die Kräfte zwischen kolloidalen Teilchen bestimmen das Verhalten einer Reihe von Materialien wie Farben, Papier, Erdreich und eine Vielzahl industrieller Prozesse. Mit der Erfindung des Rasterkraftmikroskops (Atomic force microscope, AFM) wurde die direkte Messung der Wechselwirkung zwischen mikrometer-großen Teilchen möglich. Der adhäsive Kontakt zwischen einem Teilchen und einer Oberfläche ist ein wesentlicher Parameter für die Analyse von Haftkraftmessungen mit dem AFM. Ziel dieser Studie war es, die Oberflächenkräfte zwischen feinen Pulverteilchen besser zu verstehen. Ich habe die Haftkraft zwischen AFM-Spitzen oder Pulverteilchen, die an AFM-Federbalken befestigt waren, und verschiedenen Festkörperoberflächen gemessen. Es wurden sowohl glatte und homogene Oberflächen wie Siliziumwafer, Glimmer, kristallinem Graphit (HOPG) als auch rauere und heterogene Oberflächen wie Eisenteilchen oder regelmäßige Anordnungen von TiO2 Nanoteilchen auf einem Siliziumwafer verwendet. Im ersten Teil habe ich mich mit der wohlbekannten Tatsache auseinander gesetzt, dass bei Haftkraftmessungen mit dem AFM nicht ein fester Wert, sondern recht breite Verteilungen der Haftkraft beobachtet werden. Meine experimentellen Resultate zeigen, dass sich die Schwankungen der Haftkraft zusammensetzen aus schnellen, zufälligen Fluktuation, die von einem Kraftmessung zur nächsten auftreten, und langsameren Schwankungen, die über einige zehn bis hundert aufeinaderfolgenden Messungen hinweg erfolgen. Diese langsamen Fluktuationen können nicht auf Schwankungen externer Einflussgrößen wie Kontaktposition, Temperatur, Luftfeuchte etc. zurückgeführt werden, da diese konstant gehalten wurden. Selbst wenn zwei Festkörper unter genau den gleichen Bedingungen (gleiche Stelle, Andruckkraft, Richtung usw.) in Kontakt gebracht werden, ist das Resultat für aufeinander folgende Messungen oft unterschiedlich. Die Messung selbst induziert strukturelle Veränderungen im Kontaktbereich, die zu einem geänderten Wert der Haftkraft in der nächsten Messung führen. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchte ich den Einfluss der Luftfeuchte auf die Haftkraft von Nanokontakten. Die Luftfeuchte wurde möglichst schnell variiert, um Verschleiß der AFM-Spitzen während einer Messreihe zu minimieren. Für hydrophobe Oberflächen wurde keine signifikante Änderung der Haftkraft mit zunehmender Luftfeuchte beobachtet. Für hydrophile Oberflächen ergab die Auftragung von Haftkraft gegen Luftfeuchte entweder ein Maximum oder einen kontinuierlichen Anstieg mit zunehmender Luftfeuchte. Dies kann mit einem einfachen Kontinuumsmodell der Kapillarkraft erklärt werden, das Rauhigkeit der Oberflächen berücksichtigt und verschiedene AFM-Spitzengeometrien oder Teilchenformen durch Überlagerung zweier Kugeln modelliert. Experimentelle Ergebnisse und Modellrechnungen zeigen, dass die genaue Kontaktgeometrie einen entscheidenden Einfluss auf die Abhängigkeit der Haftkraft von der Luftfeuchte hat. Änderungen der Spitzengeometrie auf der sub10 nm Längenskala können zu einer vollständigen Veränderung des Zusammenhangs zwischen Haftkraft und Luftfeuchte führen. Unser Modell erklärt somit auch die großen Diskrepanzen zwischen verschiedenen früheren AFM-Studien zur Abhängigkeit der Haftkraft von der Luftfeuchte.

To optimize the handling of fine powders in industrial applications, understanding the interaction forces between single powder particles is fundamental. The forces between colloidal particles dominate the behavior of a great variety of materials, including paints, paper, soil, and many industrial processes. With the invention of the atomic force microscope (AFM), the direct measurement of the interaction between single micron-sized particles became possible. The adhesional contact between a particle and a substrate is a parameter for analyzing pull-off force data generated by AFM. The aim of this study was to understand surface interactions between fine particles. I measured the adhesion forces between AFM tips or particles attached to AFM cantilevers and different solid samples. Smooth and homogeneous surfaces such as silicon wafer, mica, or highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), and more rough and heterogeneous surfaces such as iron particles or patterns of TiO2 nanoparticles on silicon wafer were used. First, I addressed to the well-known issue that AFM adhesion experiment results show wide distributions of adhesion forces rather than a single value. My experimental results show that variations in adhesion forces comprise fast (i.e., from one force curves to the next) random fluctuations and slower fluctuations, which occur over tens or hundreds of consecutive measurements. Slow fluctuations are not likely to be the result of variations in external factors such as lateral position, temperature, humidity, and so forth because those were kept constant. Even if two solid bodies are brought into contact under precisely the same conditions (same place, load, direction, etc.) the result of such a measurement will often not be the same as for the previous contact. The measurement itself will induce structural changes in the contact region which can change the value for the next adhesion force measurement. In the second part I studied the influence of humidity on the adhesion of nanocontacts. Humidity was adjusted relatively fast to minimize tip wear during one experiment. For hydrophobic surfaces, no signification change of adhesion force with humidity was observed. Adhesion force-versus-humidity curves recorded with hydrophilic surfaces either showed a maximum or continuously increased. I demonstrate that the results can be interpreted with simple continuum theory of the meniscus force. The meniscus force is calculated based on a model that includes surface roughness and takes into account different AFM tip (or particle) shapes by a two-sphere-model. Experimental and theoretical results show that the precise contact geometry has a critical influence on the humidity dependence of the adhesion force. Changes of tip geometry on the sub-10-nm length scale can completely change adhesion force-versus-humidity curves. Our model can also explain the differences between earlier AFM studies, where different dependencies of the adhesion force on humidity were observed.