Quantitative Auswertung nichtlinearer Ultraschall-Kontaktresonanzspektren zur Bestimmung der Kraftkurve zwischen der Sensorspitze einer schwingenden Kraftmikroskop-Blattfeder und einer Probe

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In der Ultraschall-Kraftmikroskopike wird die Tatsache, dass Ultraschallfelder mit der Sensorspitze eines Kraftmikroskops detektiert werden können, zur Abbildung elastischer Materialeigenschaften von Probenoberflächen ausgenutzt. Da die Schallwellen von den zwischen Sensorspitze und Probe wirkenden Kräften übertragen werden, ist umgekehrt auch eine Bestimmung dieser Kräfte aus gemessenen Blattfederschwingungen möglich. Zur Kraftkurve tragen verschiedene physikalische Kräfte bei, sie ist daher eine nichtlineare Funktion des Abstandes und kann Hysteresen enthalten. In dem am IZFP entwickelten Ultraschallverfahren "Kontaktresonanzspektroskopie" wird bisher die nichtlineare Kraftkurve um einen Arbeitspunkt linear genähert, um die quantitative Auswertung von Blattfederschwingungen und damit die Bestimmung einer elastischen Konstanten der Probeoberfläche zu ermöglichen. In diesem Vorhaben soll die Kontaktresonanzspektroskopie so erweitert werden, dass auch aus nichtlinearer Kraftübertragung resultierende Federbalkenschwinungen quantitativ ausgewertet werden können. Hierzu sollen Schwingungsspektren des Federbalkens in einem möglichst großen Frequenzbereich an verschiedenen Proben gemessen werden. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe der frequenzabhängigen Übertragungsfunktion und entspricht einer Entfaltung des Zeitsignals, so dass die Schwingungseigenschaften des Federbalkens und die Ultraschallanregung in der Probe von den Ultraschall übertragenden Kräften zwischen Sensorspitze und Probe getrennt werden können.