AFM-nanofrictional studies on silicon

In the first part of this work, atomic force microscopy (AFM) was used to carry out a set of friction experiments at ambient and UHV conditions. Under ambient conditions the lateral force (FL) signal between the silicon tip and the silicon substrate decreases while the surface is subsequently scanned. Experimental evidence shows that, most probably, this is due to the removal of the adsorbed water layer during the successive scans. Under UHV conditions we used antimony deposited silicon samples. In this case the FL increased scan after scan: the explanation can be found in the antimony layer that represents a boundary lubrication layer and that is removed by the successive scans. Further AFM experiments have been conducted in UHV conditions to investigate the influence of load (FN) and the speed (v) on the friction force (Ff) response of the silicon-silicon system. It was observed that, in the tested conditions, the ratio Ff/FN decreases with increasing normal load. The results can be understood by a transition from adhesion dominated friction to load dominated friction, which is consistent with both experimental results and theoretical calculations for the adhesion force in this system. It was also observed that the velocity dependence of friction shows a logarithmic increase. Finally it is reported the results of the manipulation of gold and antimony nanoparticles, using AFM based techniques, which have been successfully deposited on silicon substrates. Manipulation of NPs has been experienced and appropriate protocols for AFM manipulation have been established. The critical values of the Ff necessary to move the NP have been obtained.

Nella prima parte di questo lavoro, tramite il microscopio di forza atomic (AFM) sono stati condotti esperienze di attrito su silicio in condizioni ambientali e di UHV. In condizioni ambientali il segnale di forza laterale (FL) tra la punta dell’AFM, tip, in silicio e il substrato in silicio diminuisce durante gli scan. Prove sperimentali suggeriscono que tale fenomeno é dovuto alla rimozione, tramite gli scan, dello strato superficiale di acqua adsorbita. In condizioni di UHV sono stati utilizzati campioni di silício depositati com antimonio. In questo caso la FL aumenta durante gli scan, infatti l’antimonio agisce come lubrificante tra la tip e il substrato in silício, ed é rimosso durante gli scan. Successivi esperimenti sono stati condotti per studiare l’influenza del carico normale (FN) e della velocitá (v) sulle forze di attrito (Ff) del sistema silício-silicio. È stato osservato che, nelle condizioni testate, il rapporto Ff/FN diminuisce con l’aumentare di FN. Il risultato suggerisce una transizione da un attrito dominato dall’adesione a uno dominato dalle forze normali. È stata anche osservato la dipendenza logaritmica dell’attrtito sulla velocitá. Infine sono riportati i risultati di manipolazione tramite AFM di nano-particelle precedentemente depositate sul campione di silício. La manipolazione é stata effettuata con successo ed é stata stabilita una procedura per ripetere tale esperienza. Sono stati ottenuti i valori critici della forza di attrito necessari per la movimentazione delle nano particelle.