Friction measurement with single atom resolution

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	8 Januar 2026
Begutachter (Erstgutachter):	PD Dr Alfred J. Weymouth
Tag der Prüfung:	7 November 2024
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Giessibl > Arbeitsgruppe Franz J. Giessibl
Projekte:	Quantifizierung der Phononen-Beiträge zur Reibung auf atomarer Skala Gefördert von: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (444750204)
Stichwörter / Keywords:	Lateral Force Microscopy (LFM), Energy Dissipation, Atomic-Scale Friction
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	74810

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis presents high-precision lateral force microscopy (LFM) measurements using atomically characterized tips, focusing on the atomic-scale mechanisms underlying frictional forces. The research investigates the role of atomic interactions on LFM contrast as a function of tip-sample distance, explores friction across single chemical bonds, and examines the contribution of phonons to ...

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis presents high-precision lateral force microscopy (LFM) measurements using atomically characterized tips, focusing on the atomic-scale mechanisms underlying frictional forces. The research investigates the role of atomic interactions on LFM contrast as a function of tip-sample distance, explores friction across single chemical bonds, and examines the contribution of phonons to friction. Advanced experimental setups, including qPlus sensors for simultaneous scanning tunneling microscopy (STM) and LFM measurements, and precise tip characterization techniques, are employed to study these subjects.

The study reveals critical insights into in-plane interactions and energy dissipation at the single-atom level. High-resolution imaging with CO-functionalized tips elucidates the relationship between friction and factors like system stiffness. By mapping energy dissipation across chemical bonds, the work establishes a linear correlation between bond order and energy dissipation and applies theoretical models, including density functional theory (DFT) and machine learning, to refine predictions.

Further investigations address the role of atomic and molecular mass in phononic contributions to friction, using isotopic variations and experiments with hydrogen- and deuterium-terminated surfaces. This includes the discussion about the influence of atomic mass on energy dissipation and discrepancies of previous studies that demand more precise research. Overall, this work advances the understanding of friction mechanisms at the nanoscale, providing valuable insights into atomic-scale energy dissipation and its theoretical underpinnings.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation präsentiert hochpräzise Messungen der lateralen Kraftmikroskopie (lateral force microscopy - LFM) unter Verwendung atomar charakterisierter Spitzen und konzentriert sich auf die Mechanismen der Reibungskräfte auf atomarer Ebene. Die Forschung untersucht die Rolle atomarer Wechselwirkungen auf den LFM-Kontrast in Abhängigkeit vom Spitzen-Proben-Abstand, erforscht die Reibung ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation präsentiert hochpräzise Messungen der lateralen Kraftmikroskopie (lateral force microscopy - LFM) unter Verwendung atomar charakterisierter Spitzen und konzentriert sich auf die Mechanismen der Reibungskräfte auf atomarer Ebene. Die Forschung untersucht die Rolle atomarer Wechselwirkungen auf den LFM-Kontrast in Abhängigkeit vom Spitzen-Proben-Abstand, erforscht die Reibung über einzelne chemische Bindungen und analysiert den Beitrag von Phononen zur Reibung. Fortschrittliche experimentelle Aufbauten, darunter qPlus-Sensoren für gleichzeitige Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy - STM) und LFM-Messungen, sowie präzise Charakterisierungstechniken für Spitzen werden eingesetzt, um diese Themen zu untersuchen.

Die Studie liefert wesentliche Erkenntnisse über in-plane Wechselwirkungen und Energiedissipation auf der Ebene einzelner Atome. Hochauflösende Bildgebung mit CO-funktionalisierten Spitzen verdeutlicht die Beziehung zwischen Reibung und Faktoren wie die Steifigkeit des Systems. Durch die Kartierung der Energiedissipation über chemische Bindungen wird eine lineare Korrelation zwischen Bindungsordnung und Energiedissipation festgestellt, wobei theoretische Modelle wie die Dichtefunktionaltheorie (DFT) und maschinelles Lernen zur Verfeinerung der Vorhersagen herangezogen werden.

Weitere Untersuchungen beschäftigen sich mit der Rolle der atomaren und molekularen Masse bei phononischen Beiträgen zur Reibung, wobei isotopische Variationen und Experimente mit wasserstoff- und deuteriumterminierten Oberflächen eingesetzt werden. Dazu gehört die Diskussion über den Einfluss der Atommasse auf die Energiedissipation sowie über Diskrepanzen früherer Studien, die präzisere Forschungen erfordern. Insgesamt trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis von Reibungsmechanismen im Nanomaßstab bei und liefert wertvolle Einblicke in die Energiedissipation auf atomarer Ebene und deren theoretische Grundlagen.

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