Bestimmung mechanischer Eigenschaften dünner Polymerfilme mittels AFM-Kraft-Abstands-Kurven

In der vorliegenden Arbeit wurden AFM-Kraft-Abstands-Kurven benutzt, um die mechanischen Eigenschaften dünner Polymerfilme verschiedener Schichtdicken (2 - 400 nm) auf einem sehr viel steiferen Substrat (mechanische Doppelschichten) zu untersuchen. Die mechanischen Eigenschaften einer solchen Probe setzen sich aus den mechanischen Eigenschaften der Bestandteile, d.h. Polymer und Substrat, zusammen. Der Beitrag der Bestandteile hängt von der Schichtdicke und von der Auflagekraft ab. Es wurden existierende Modelle für die Auswertung von an Doppelschichten gemessenen Deformationskurven überprüft und festgestellt, dass kein Modell befriedigende Ergebnisse erzielt. Dies zeigte die Notwendigkeit einer neuen semiempirischen Theorie zur Beschreibung der Deformationskurven von mechanischen Doppelschichten. In dieser Arbeit wird der hyperbolische Fit zu diesem Zweck eingeführt. Die Validität des hyperbolischen Fit wurde anhand von drei Experimenten gezeigt. Alle experimentellen Kurven konnten sehr gut durch den hyperbolischen Fit beschrieben werden. Die Elastizitätsmoduln der Bestandteile konnten in Übereinstimmung mit den Literaturwerten berechnet werden. Die Schichtdicken der Proben konnten in allen Fällen mit großer Exaktheit bestimmt werden. Es wurde zudem die Möglichkeit der Auswertung einzelner Kraft-Abstands-Kurven untersucht. Damit konnte die Schichtdicke der untersuchten Doppelschichten ortsaufgelöst im Submikrometerbereich bestimmt werden und ein verstecktes Substrat detektiert werden. Die Adhäsion an der Grenzfläche Polymer/Substrat hat einen fundamentalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Doppelschicht, der qualitativ im letzten Teil der Doktorarbeit gezeigt werden konnte.

In this thesis AFM-force-distance-curves were used to examine the mechanical properties of thin polymer films with a large range of filmthicknesses (2 - 400 nm) on a considerable stiffer substrate, forming a mechanical double-layer. The mechanical properties of such a sample are composed of the mechanical properties of its constituents, i.e. polymer and substrate. The contribution of each constituent depends on the filmthickness and applied load. First, existing semi empirical models for the analysis of deformation curves on mechanical double-layers were examined. None of these models yielded satisfying results. This showed the need for a novel semi empirical model, describing deformation curves on mechanical double-layers. To this aim the hyperbolic fit is introduced. The validity of the hyperbolic fit was shown in three different experiments. All experimental curves could be described by the fit. The Fit parameters yielded the Young's modulus of the constituents in agreement with literature values and the filmthickness with great accuracy. Additionally, the analysis of single force-distance-curves was carried out. In this way an, in submicron-range, space-resolved reconstruction of the filmthickness could be achieved and a hidden substrate could be detected. The adhesion at the interface polymer/substrate has a fundamental influence on the mechanical properties of the Double-layer, which could be evaluated qualitatively in the last part of this thesis.