Berechnungen zur Ultraschallüberwachung im Kraftmikroskop

Hochauflösende akustische Abbildungsverfahren sind wichtige Untersuchungsmethoden in der Materialwissenschaft und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Diese Techniken erlauben die Bestimmung von elastischen Eigenschaften und die Detektion von Fehlern in Materialien mit einer durch die Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls gegebenen räumlichen Auflösung. Zur Detektion der durch Oberflächen-, longitudinalen oder transversalen Ultraschallwellen verursachten Verschiebungen im Material wurden veschiedene optische Systeme entwickelt, die, versehen mit einem Scanner, Abildungen der Schallfelder liefern können (realisiert z. B. im Scanning Laser Acoustic Microscope). Die laterale Auflösung dieser Systeme kann höchstens die Wellenlänge der Strahlung erreichen, mit der das Schallfeld abgetastet wird. Mit Rastersondenmikroskopen mit Mikrospitzen, wie z. B. Rastertunnelmikroskope oder Kraftmikroskope, die das exterme Nahfeld einer "Strahlung" ausnutzen, kann diese Grenze unterschritten werde n. Zuerst wurde gezeigt, daß mit dem Tunnelmikroskop Ultraschallwellen detektiert und Schallfelder abgebildet werden können. Dann wurden auch mit dem Kraftmikroskop Schwingungen im Ultraschallfrequenzbereich (bis 20 MHz) nachgewiesen. In diesem Beitrag soll nun die Übertragung von Ultraschallschwingungen einer Probe auf die Blattfeder im Kraftmikroskop theoretisch beschrieben und numerisch berechnet sowie mit Experimenten verglichen werden. Ziel ist, die Grundlagen zur quantitativen Messung von elastischen und anelastischen Materialeigenschaften an Probenoberflächen mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich sowie der Adhäsionskräfte von Festkörperoberflächen bereitzustellen