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A correlation of adhesion force and electrical conductivity is established for a vanadium oxide and highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). Adhesion forces were determined by analysis of pull-off forces obtained from force–distance curves with atomic force microscopy in ultrahigh vacuum, on clean surfaces and with defined contact conditions. The investigated samples include (i) different stoichiometries of Magnéli-type vanadium oxides (V3O5, V4O7, V6O11, and V7O13), which undergo metal-insulator-transitions as a function of temperature, (ii) the (0001) basal plane and the (10–10) prism plane of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG), which differ in their respective perpendicular-plane electrical conductivities by several orders of magnitude, and (iii) the (100) surfaces of pure metal single crystals, i.e., silver (Ag), copper (Cu), iron (Fe) and gold (Au). It is shown, that the vanadium oxides as well as the graphite exhibit significantly lower adhesion forces in their electrical conductive state than in their non-electrical conductive state. The values obtained for the electrical conductive states are quantitatively confirmed by the measurements on the single crystal metals.
Das tribologische Verhalten wird neben den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Reibpartner auch von deren Oberflaechentopographie bestimmt. Um deren Beitrag auf die Reibkraft zu untersuchen, wurden daher definierte Rauheitsstrukturen in Siliziumwafer geaetzt. Reibversuche mit einem Mikrotribometer [1, 2] gaben Aufschluss ueber den Einfluss dieser Strukturen auf das Deformationsverhalten im Kontaktbereich. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wurde ein Deformationsmodell entwickelt, das eine Abschaetzung der Reibkraft in Abhaengigkeit von der Rauheit erlaubte. Treten starke Adhaesionskraefte im Reibkontakt auf, ist ein inverter Einfluss der Rauheit auf die Reibkraft zu verzeichnen. Um diesen Verlauf weiter zu charakterisieren, wurden mit einem UHV-AFM Adhaesionsmessungen an strukturierten Siliziumwafern durchgefuehrt. Diese zeigen den Verlauf der Adhaesionskraft in Abhaengigkeit von der Groesse der Kontaktflaeche auf. Ein Vergleich dieser experimentell gefundenen Korrelation mit den klassischen Kontaktmodellen machte dabei den Einfluss der Oberflaechenrauheit auf die Groesse der Adhaesionskraft deutlich. Danach ergab sich, dass bei gleicher Kontaktflaeche, aber unterschiedlicher Rauheit sich die Adhaesionskraefte um bis zu einem Faktor 3 unterscheiden. [1] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 725-732 [2] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 733-738