Die Abteilung Grundlagen im IZFP befaßt sich mit neuartigen Prüfverfahren, um für die Fehlererkennung und Charakterisierung moderner Werkstoffe zunkunftsrelevante Perspektiven zu erarbeiten. Da die Mikro- und Nanostruktur von Werkstoffen zunehmend an Bedeutung gewinnt, liegt ein Arbeitsschwerpunkt des IZFP und insbesondere auch der Abteilung Grundlagen auf der Anwendung und Entwicklung von Verfahren zur Prüfung der Mikrostruktur und Nanostruktur von Werkstoffen und Komponenten. Am IZFP wurde die Ultraschall-Kraftmikroskopie entwickelt.

Kraftmikroskope sind kommerziell erhältlich. Ihr Sensor besteht aus einer kleinen Blattfeder von etwa 100 bis 500 µm Länge mit einer Spitze. Dynamische Betriebsmoden nutzen die Tatsache, dass Kraftmikroskop-Blattfedern wie kleine Balken in Biege-, Torsions- und Lateralschwingungen versetzt werden können. Ihre Resonanzfrequenzen liegen im Ultraschallbereich. Der Kontakt der Sensorspitze mit einer Probe verschiebt die Resonanzen zu höheren Frequenzen und beeinflusst Amplitude und Phase der Blattfederschwingung in Abhängigkeit von den lokalen Werkstoffoberflächeneigenschaften. Der Kontrast der mit Hilfe von Biegemoden aufgenommen Bildern ist abhängig von Elastizität und Adhäsionskräften der Probe, der Kontrast der mit Hilfe von Torsions- und Lateralmoden aufgenommenen Bilder wird durch Schersteifigkeit und Reibeigenschaften der Probe verursacht.

Zur Anregung der Schwingungen wird bei Kontakt der Sensorspitze mit der Probe diese von unten mit einem Biege- oder Transversalwellen-Prüfkopf beschallt, so dass in der Probenoberfläche vertikale oder laterale Ultraschallschwingungen senkrecht zur Längsachse der Blattfeder erzeugt werden (Bild unten).

Die Schwingungen der Probenoberfläche werden über den Kontakt auf den Federbalken übertragen. Bei kleiner Amplitude der anregenden Ultraschallwelle bleibt die Sensorspitze während der Beschallung an einem Punkt der Probenoberfläche elastisch haften. Die Kontaktresonanzfrequenz sowie Amplitude und Phase der Blattfederschwingung enthalten Informationen über die lokal wirkenden elastischen Kräfte. Diese Technik ist lizenziert und mittlerweile kommerziell erhältlich.

Bei größeren Anregungsamplituden werden die Biegeresonanzen von Adhäsionskräften, die Torsions- und Lateralmoden von Reibungskräften beeinflusst.

Bild 2 rechts zeigt als Beispiel die Kontaktresonanzkurven des ersten Torsionsmodes einer AFM-Blattfeder in Kontakt mit einem Silizium-Wafer bei verschiedenen Anregungsamplituden.

Zunächst hat die Resonanzkurve Lorentzform, ihre Amplitude steigt mit der der Anregung linear an. Ab Erreichen des Schwellwerts vergrößert sich die Amplitude der Torsionsresonanz nicht mehr, das Maximum im Spektrum wird abgeplattet, das Ruckgleiten ("stick-slip") der Spitze auf der Probenoberfläche hat eingesetzt.

Im so genannten Piezomode werden Oberflächenschwingungen der Probe bei Anlegung einer elektrischen Wechselspannung zwischen Sensorspitze und Probe durch den inversen piezoelektrischen Effekt angeregt. Die lokale piezoelektrische Aktivität der Probe führt zu einer Balkenschwingung und somit zu einem Bildkontrast. Im Ultraschall-Piezomode werden Anregungsfrequenzen nahe der Kontaktresonanzfrequenz des Balkens verwendet. Mit Hilfe von Biege, Torsions- und Lateralmoden kann die Orientierung der piezoelektrischen Domänen untersucht werden. In Bild unten ist das akustische Bild einer nanocrystallinen PTC Probe dem vertikalen und lateralen Ultraschall-Piezomode gegenübergestellt.