Interactions of nanoparticles and surfaces

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2008
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Merkt, Florian
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Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Oberflächen
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Dissertation
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Zusammenfassung

The adhesion forces of micro- to nanoscopic particles on surfaces are the main topic of this dissertation. As a model system, the contact between colloidal particles and smooth silicon and glass substrates are investigated. To achieve information about their adhesion forces, particles are detached from the substrates on the timescale of tens of nanoseconds. For this purpose a laser is focussed on the back side of the sample. There a plasma is generated, which evokes a shock wave that travels through the wafer. The concomitant elongation of the front surface which is of the order of tens of nanometers leads to the detachment of the particles. The particle diameters range from 0.25 µm to 20 µm for silica and from 0.3 µm to 5 µm for polystyrene particles. Since this procedure is a means to clean surfaces, it is called acoustic laser cleaning.
For particles larger than 2 ¹m the threshold of the laser intensity is almost independent of the particle diameter. For smaller particles the threshold steeply rises with decreasing diameter. Particles with a diameter of 840 nm adhere to silicon with a force of about 300 nN. All particles lift of with velocities between 10 m/s and 60 m/s. For example 0.9 µm large SiO2 particles stop in air after an estimated flight distance of 27 µm. Thereafter, convection, electric fields and gravitation determine their trajectories. For larger particles gravitation becomes the determinant. It exceeds the
van der Waals forces for spherical glass beads with diameters of about 120 µm, when the silicon substrates are put upside down. Because electrostatic forces influence the adhesion and detachment in all these experiments, the typical charge of particles with a diameter of 1.28 µm was estimated to be 20 elementary charges in a Millikan setup. When a laser hits the front side of a sample, surface acoustic waves (SAW) reveal a characteristic detachment pattern that reflects the symmetry of the surface. Since we did not observe such a pattern on the front side in acoustic laser cleaning, SAW do not
seem to play a role there. Instead, for illumination of the back side phonon focussing of bulk acoustic waves that propagate through the silicon wafer can be found. Two theoretical models have been developed to better understand the detachment dynamics. A simple spring model accounts qualitatively for the detachment. A more elaborate model by Martin Schlipf includes the deformation of the particles and derives the force on them numerically. Both models yield particle velocities that are maximally twice the maximum surface velocity. In contrast the experiments result in velocities that are two to ten times higher. This difference has not been explained yet. The second focus of this work are capped colloids in laser tweezers. Half of the surface
of these particles has been coated with metals. Capped SiO2 particles with diameters of 4.7 µm can be dragged around in water at their transparent half like uncoated particles. Above a critical laser power in the optical tweezers of about 4 mW, they start to rotate spontaneously in front of a surface at a frequency of about 1 Hz. The frequency increases linearly until a threshold of about 7 mW is reached, where the particles jump out of the focus. Light pressure is identified as the driving force.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die Forschung beschäftigt sich seit Jahrhunderten [deG97] mit dem Problem, unterschiedliche Materialien aufeinander zu kleben. Erst kürzlich wurden Methoden entwickelt, mit denen die mikroskopischen Ursachen der Adhäsion untersucht werden können.
Dabei nimmt die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy = AFM) eine herausragende Rolle ein. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Kräfte in der Größenordnung von hundert Nanonewton zwischen kleinen Teilchen und einem ausgedehnten Substrat zu messen. Damit wurde u.a. die Rolle von mikroskopischen Stukturen bei der Fortbewegung im Tierreich bestimmbar. So nutzen Geckos feine Härchen, um sich auch auf extrem glatten Unterlagen vertikal bewegen zu können [Aut00]. Die Spitze der Härchen ist mit feinen Spatulas versehen, die das Anhaften auf der Oberfläche gewährleisten.
Im Zentrum dieser Arbeit stehen die Haftkräfte von Teilchen auf Oberflächen. Als Modellsystem wird der Kontakt von kolloidalen Teilchen mit glatten Silizium- und Glasoberflächen untersucht. Im Einzelnen werden kugelförmige Silikateilchen mit Durchmessern von 0.25 µm bis 20 µm und Polystyrolteilchen, deren Durchmesser sich von 0.3 µm bis 5 µm erstrecken, genauer unter die Lupe genommen.
Im Gegensatz zum langsamen AFM werden die Teilchen mithilfe eines Lasers auf der sehr viel kürzeren Zeitskala von zehn Nanosekunden vom Substrat abgelöst. Dazu wird die Rückseite einer Probe beschossen und die Teilchen auf der Vorderseite abgelöst. Da mit diesem Prozess Oberflächen gesäubert werden können, wird diese Methode als Acoustic Laser Cleaning bezeichnet. Technologisch ist insbesondere die Reinigung von Siliziumwafern wichtig. Verunreinigungen kleinster Größe müssen von den Substraten abgelöst werden, um den stetig steigenden Anforderungen der Halbleiterindustrie gerecht zu werden. Vor allem lassen sich damit aber Aussagen Äuber die Haftkräfte von Kolloidteilchen auf einer Unterlage gewinnen.
Zu diesem Zweck wird ein Laser auf die Rückseite der Probe fokussiert. Dort wird ein Plasma erzeugt, das wiederum eine durch den Siliziumwafer laufende Schockwelle hervorruft. Wegen der sich ausbildenden Oberflächenausdehnung, die im Bereich von mehreren zehn Nanometern liegt, werden Teilchen von der Vorderseite abgelöst.
Mithilfe von interferometrischen Daten zur Oberflächenauslenkung bei der Ankunft einer akustischenWelle [Gel06] und den Schwellwerten der Laserintensität zur Teilchenablösung ist es möglich, die Haftkräfte auf Silizium abzuschätzen.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Flugzeitmessung, bekappte Kolloide, Rotation, particle detachment, detachment thresholds, particle velocities, capped colloids, rotation
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690MERKT, Florian, 2008. Interactions of nanoparticles and surfaces [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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April 25, 2008
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