Elektrochemische Kontrolle von Reibung auf Goldoberflächen in wässrigen Elektrolyten und ionischen Flüssigkeiten

Abstract

Die Kontrolle von Reibung auf kleiner Skala ist von fundamentaler Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die fortschreitende Miniaturisierung von mechanischen Bauteilen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hochaufgelöste Experimente zur Reibung in ultrasauberen Flüssigkeiten durchgeführt, um so die Möglichkeiten der Kontrolle von Reibungskräften auf Gold in wässrigen Elektrolyten und ionischen Flüssigkeiten auf atomare Mechanismen zurückführen zu können. Die Kombination der Rasterkraftmikroskopie mit elektrochemischen Methoden erlaubt es, die Oberflächeneigenschaften reversibel und in situ zu variieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Reibungskraft mit der atomaren Oberflächenrauigkeit skaliert. Auf reinen, rekonstruierten Goldoberflächen ist die Reibung sehr gering und nur schwach von der Normalkraft abhängig. Mit der Modifikation der Oberfläche durch Aufhebung der Rekonstruktion, durch Oxidation oder durch ionische Adsorbate wird eine signifikante Zunahme der Reibungskraft beobachtet. Die Prozesse sind reversibel und erlauben eine aktive Kontrolle und Schaltbarkeit der Reibung. Ionische Flüssigkeiten werden genutzt, um das effektive elektrochemische Fenster zu vergrößern. Es wird gezeigt, dass die Reibung über das Verhalten eingeschlossener ionischer Schichten anstatt durch die Modifikation der Oberfläche an sich geschaltet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen eine breite Anwendbarkeit des Konzepts der elektrochemischen Kontrolle von Reibungskräften.

The control of friction at small scales is of utmost importance, particularly due to the continuing miniaturization of mechanical devices. Within this thesis, high-resolution friction experiments in ultra-clean liquids have been performed to attribute the possibilities of a control of friction forces on gold surfaces in aqueous electrolytes and ionic liquids to atomistic mechanisms. Combining atomic force microscopy and electrochemical methods allows one to reversibly change the properties of the surfaces in situ. This thesis will demonstrate that friction forces scale with the surface roughness. Friction on clean and reconstructed gold surfaces is extremely low and depends only weakly on normal loads. A modification of the surface resulting from a lifting of the reconstruction, an oxidation or by the adsorbtion of ionic species yields in considerably higher friction forces. These processes are reversible and allow for an active control and switchability of friction. Ionic liquids are used to increase the effective electrochemical window. It will be demonstrated that friction can be controlled by confined ionic layers rather than by a modification of the underlying surface itself. The results of this thesis confirm a wide applicability of the concept of an electrochemical control of friction.