Mehrskalige Bestimmung von Adhäsions- und Reibkräften an Metalloxiden mit Metall-Isolator-Übergang und verschiedener Stöchiometrie

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Die Grundmechanismen der Festkörperreibung sind Deformation und Adhäsion. Diese Grundmechanismen sind unter anderem abhängig von der Temperatur des Festkörpers. Einige Stöchiometrien von Metalloxiden zeigen bei Variation der Temperatur reversible Metall-Isolator-Übergänge (engl. Metall-Insulator-Transition, MIT) der elektrischen Leitfähigkeit. Eigene Adhäsionsmessungen auf Magnéli-Phasen des Vanadiumoxids zeigten ein unterschiedliches Adhäsionsverhalten vor und nach dem MIT. Damit sollte eine gezielte Beeinflussung des Reibverhaltens durch die Variation des MIT möglich sein. Ziel des Projektes ist eine temperaturabhängige experimentelle Analyse und analytische Beschreibung des Adhäsions- und Reibverhaltens von Metalloxiden ausgewählter Stöchiometrien mit einem Metall-Isolator-Übergang. Vanadiumoxide stellen das erste Stoffsystem dar, weil hier erste Erfahrungen aus früheren Experimenten vorliegen. In einem Folgeantrag soll gegebenenfalls überprüft werden, ob die Ergebnisse für weitere Metalloxide und andere Stoffsysteme anwendbar sind. Die experimentelle Bestimmung der Wechselwirkungen, der Kontaktoberflächen bei Temperaturen um den jeweiligen MIT, ist hier von entscheidender Bedeutung. Für eine definierte Kontaktgeometrie (Kugel-Ebene) bei weitgehender Vernachlässigung des Einflusses von Verschleißteilchen (elastischer Kontakt) und bei kontrollierten Umgebungsbedingungen werden die Versuche mehrheitlich im Ultrahochvakuum (UHV) mit möglichst atomar reinen Kontaktflächen ausgeführt. Eine Erdung und Versuchsapparaturen mit einer magnetischen Abschirmung (μ-Metall) sollen externe elektrostatische oder magnetische Einflüsse reduzieren. Für die mehrskalige Analyse werden im Nanobereich ein Rasterkraftmikroskop (AFM) zur Adhäsionsmessung und ein Lateralkraftmikroskop (LFM) zur Reibkraftmessung verwendet. Diese Untersuchungen werden zu parallel auszuführenden makroskopischen Reibversuchen an einem patentierten UHV-Tribometer in Bezug gesetzt. Dieses UHV-Tribometer ermöglicht innerhalb des Vakuums einen Proben- und Lastwechsel. Die tribologische Untersuchungen können so direkt ohne störende atmosphärische Einflüsse, sei es während der Messung oder bei Proben- und Lastwechsel, durchgeführt werden.