miun.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Surface modifications by field induced diffusion
Mid Sweden University, Faculty of Science, Technology and Media, Department of applied science and design.ORCID iD: 0000-0002-4376-2676
Mid Sweden University, Faculty of Science, Technology and Media, Department of applied science and design.ORCID iD: 0000-0001-9137-3440
Mid Sweden University, Faculty of Science, Technology and Media, Department of applied science and design.ORCID iD: 0000-0001-7329-3359
2012 (English)In: PLoS ONE, ISSN 1932-6203, E-ISSN 1932-6203, Vol. 7, no 1, p. Art. no. e30106-Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

By applying a voltage pulse to a scanning tunneling microscope tip the surface under the tip will be modified. We have inthis paper taken a closer look at the model of electric field induced surface diffusion of adatoms including the van der Waalsforce as a contribution in formations of a mound on a surface. The dipole moment of an adatom is the sum of the surfaceinduced dipole moment (which is constant) and the dipole moment due to electric field polarisation which depends on thestrength and polarity of the electric field. The electric field is analytically modelled by a point charge over an infiniteconducting flat surface. From this we calculate the force that cause adatoms to migrate. The calculated force is small forvoltage used, typical 1 pN, but due to thermal vibration adatoms are hopping on the surface and even a small net force canbe significant in the drift of adatoms. In this way we obtain a novel formula for a polarity dependent threshold voltage formound formation on the surface for positive tip. Knowing the voltage of the pulse we then can calculate the radius of theformed mound. A threshold electric field for mound formation of about 2 V/nm is calculated. In addition, we found that vander Waals force is of importance for shorter distances and its contribution to the radial force on the adatoms has to beconsidered for distances smaller than 1.5 nm for commonly used voltages.

Abstract [sv]

Genom att lägga på en spänningspuls mellan spetsen på ett sveptunnelmikroskop och substratet under den kan man modifiera substratets ytan. I denna artikel har vi tittat närmare på elektrisk fältinducerad ytdiffusion samt också van der Waals inducerad diffusion. Dessa två mekanismer kan skapa en liten kulle på substratet under mikroskopspetsen. Dipolmomentet för en ytadsorberad atom, adatom, på substratets yta är summan av det ytinducerade dipolmomentet (vilket är oberoende av pålaggd spänning) och det elektriskt inducerade dipolmomentet vilket beror på styrkan och polariteten hos det pålaggda elekriska fältet. Det elektriska fältet är analytiskt modellerat som fältet av en punktladdning över en oändlig platt elektriskt ledande yta (substratet). Från detta beräknar vi kraften vilken leder till att adatomerna börjar vandra. Den beräknade kraften är liten, typiskt av storleken pN, men tack vare att adatomerna hoppar omring på substratet på grund av den termiska rörelsen hos kristallen de sitter på kan även en liten nettokraft leda till en drift av adatomer på ytan. På detta sätt erhåller vi en ny formel för en polaritetsberoende tröskelspänning för bildning av en kulle under mikroskopspetsen för positiv spets. Vi erhåller även en formel för radien på kullen. Ur modellen kan vi beräkna ett tröskelfält på 2 V/nm för att en kulle ska bildas. Om fältet är svagare bildas ingen kulle. Vi finner vidare att van der Waalskraften mellan en adatom och spetsen måste tas med i beräkningen för spets-substratavstånd mindre än 1.5 nm för experimentellt vanligen använda spänningar.

Place, publisher, year, edition, pages
2012. Vol. 7, no 1, p. Art. no. e30106-
Keywords [en]
adaptation; article; atomic force microscopy; diffusion; dipole; electric field; electric potential; mathematical analysis; polarization; transmission electron microscopy; vibration
National Category
Natural Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:miun:diva-15706DOI: 10.1371/journal.pone.0030106ISI: 000301361500032Scopus ID: 2-s2.0-84855832528OAI: oai:DiVA.org:miun-15706DiVA, id: diva2:477881
Available from: 2012-01-26 Created: 2012-01-14 Last updated: 2019-05-18Bibliographically approved
In thesis
1. The mechanics in two nanosized systems: Size effect and threshold field
Open this publication in new window or tab >>The mechanics in two nanosized systems: Size effect and threshold field
2012 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This thesis investigates the mechanics in two nanosized system. Paper I investigates a size effect in a cantilever nanowire affecting its resonance frequency. Paper II reveals a threshold field for the formation of a mound by the diffusion of surface atoms on a substrate under a STM-tip.

Paper I: Using a one dimensional jellium model and standard beam theory we calculate the spring constant of a vibrating nanowire cantilever. By using the asymptotic energy eigenvalues of the standing electron waves over the nanometer sized cross section area, the change in the grand canonical potential is calculated and hence the force and the spring constant. As the wire bends, more electron states fits in its cross section. This has an impact on the spring ”constant” which oscillates slightly with the bending of the wire. In this way we obtain an amplitude dependent resonance frequency of the oscillations that should be detectable.

Paper II: By applying a voltage pulse to a scanning tunneling microscope tip, the surface under the tip will be modified. In this paper we have taken a closer look at the model of electric field induced surface diffusion of adatoms including the van der Waals force as a contribution in formations of a mound on a surface. The dipole moment of an adatom is the sum of the surface induced dipole moment (which is constant) and the dipole moment due to electric field polarisation which depends on the strength and polarity of the electric field. The electric field is analytically modelled by a point charge over an infinite conducting flat surface. Based on this we calculate the force that cause adatoms to migrate. The calculated force is small considering the voltage used, typical 1 pN, but due to thermal vibration adatoms are hopping about the surface and even a small net force can be significant in the drift of adatoms. In this way we obtain a novel formula for a polarity dependent thresholdvoltage for mound formation on the surface for positive tip. Knowing the voltage of the pulse, we are then able to calculate the radius of the formed mound. A threshold electric field for mound formation of about 2 V/nm is calculated. In addition, we found that van der Waals force is of importance for shorter distances and its contribution to the radial force on the adatoms has to be considered for distances smaller than 1.5 nm for commonly used voltages.

Abstract [sv]

I denna avhandling undersöker vi mekaniken i två system av nanostorlek. I Artikel I finner vi en effect av den lilla storleken hos en bladfjäder av nanometerstorlek vilken påverkar dess egensvängningsfrekvens. I Artilel II finner vi ett tröskelvärde hos det pålagda elektriska fältet för att det genom diffusion ska bildas en nanometerstor kulle på substratet under spetsen i ett sveptunnelmikroskop.

Artikel I: Genom att använda en endimensionell fri elektronmodell där vi bortser från atomstrukturen i metallen och vanlig balkteori beräknar vi fjäderkonstanten hos en vibrerande nanotråd inspänd i ena änden. Vi använder de asymptotiska egenvärdena hos de stående elektronvågorna med vilkas hjälp vi beräknar den storkanoniska (dvs med variabelt elektronantal) potentialen hos elektrongasen. Från denna potential beräknar vi kraften som måste användas för att böja tråden och därmed fjäderkonstanten. När nanotråden böjs ökar dess tvärsnittyta enligt den vanliga balkteorin och fler elektrontillstånd passar i ytan. Detta påverkar ”fjäderkonstanten” vilken oscillerar något med hur mycket tråden är böjd. På detta sätt erhåller vi en amplitudberoende egensvängningsfrekvens hos tråden som borde vara mätbar.

Artikel II: Genom att lägga på en spänningspuls mellan spetsen på ett sveptunnelmikroskop och substratet under den kan man modifiera substratets yta. I denna artikel har vi tittat närmare på elektrisk fältinducerad ytdiffusion samt också van der Waals inducerad diffusion. Dessa två mekanismer kan skapa en liten kulle på substratet under mikroskopspetsen. Dipolmomentet för en ytadsorberad atom, adatom, på substratets yta är summan av det ytinducerade dipolmomentet (som är oberoende av pålaggd spänning) och det elektriskt inducerade dipolmomentet som beror på styrkan och polariteten hos det pålaggda elektriska fältet. Det elektriska fältet är analytiskt modellerat som fältet av en punktladdning över en oändlig platt elektriskt ledande yta (substratet). Från detta beräknar vi kraften som leder till att adatomerna börjar vandra. Den beräknade kraften är liten, typiskt av storleken pN, men tack vare att adatomerna hoppar omring på substratet på grund av den termiska rörelsen hos kristallen de sitter på kan även en liten nettokraft leda till en drift av adatomer på ytan. På detta sätt erhåller vi en ny formel för en polaritetsberoende tröskelspänning för bildning av en kulle under mikroskopspetsen för positiv spets. Vi erhåller även en formel för radien på kullen. Ur modellen kan vi beräkna ett tröskelfält på 2 V/nm för att en kulle ska bildas. Om fältet är svagare bildas ingen kulle. Vi finner vidare att van der Waalskraften mellan en adatom och spetsen måste tas med i beräkningen för spets-substratavstånd mindre än 1.5 nm.

Place, publisher, year, edition, pages
Sundsvall: Mittuniversitetet, 2012. p. 32
Series
Mid Sweden University licentiate thesis, ISSN 1652-8948 ; 78
National Category
Natural Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-16007 (URN)978-91-87103-09-4 (ISBN)
Presentation
2012-04-27, O111, Mittuniversitetet, Holmgatan 10, Sundsvall, 13:15
Opponent
Supervisors
Available from: 2012-05-08 Created: 2012-03-19 Last updated: 2015-08-13Bibliographically approved
2. Nanomechanics – Quantum Size Effects, Contacts, and Triboelectricity
Open this publication in new window or tab >>Nanomechanics – Quantum Size Effects, Contacts, and Triboelectricity
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Nanomechanics is different from the mechanics that we experience in everyday life. At the nano-scale, typically defined as 1 to 100 nanometers, some phenomena are of crucial importance, while the same phenomena can be completely neglected on a larger scale. For example, the feet of a gekko are covered by nanocontacts that yield such high adhesion forces that the animal can run up on walls and even on the ceiling. At small enough distances, matter and energy become discrete, and the description of the phenomena occurring at this scale requires quantum mechanics. However, at room temperature the transitions between quantized energy levels may be concealed by the thermal vibrations of the system. As two surfaces approach each other and come into contact, electrostatic forces and van der Waals forces may cause redistribution of matter at the nano level. One effect that may occur upon contact between two surfaces is the triboelectric effect, in which charge is transferred from one surface to the other.This effect can be used to generate electricity in triboelectric nanogenerators (TENGs), where two surfaces are repeatedly brought in and out of contact, and where the charge transfer is turned into electrical energy.

This thesis concerns nanomechanics addressing whether quantum mechanics play a role in elastic deformation, as well as various mechanical aspects of nanocontacts including electric charging. The objectives are to contribute to the understanding when quantum effects are of importance at the nanolevel, increase the fundamental understanding of the mechanisms responsible for triboelectric phenomena and apply the triboelectric effect to a wind harvesting device.

For more insight into whether quantum effects are of importance in nanomechanics, we use a one dimensional jellium model and the standard beam theory allowing the spring constant of an oscillating nanowire cantilever to be calculated. As the nanowire bends, more electron states fit in its cross section, giving rise to an amplitude dependent resonance frequency of the nanowire oscillations.

Furthermore, a model for electric field induced surface diffusion of adatoms was developed. The model takes electrostatic forces and van der Waals forces into account as a voltage is applied between a scanning tunneling microscope tip and a sample. The calculated force on the adatoms at the surface of the sample, which is stemming from the inhomogeneous electric field and the dipole moment of the adatoms, is relatively small, but due to thermal vibrations adatoms diffuse and form mounds at the sample.

When bringing two different materials into contact, the difference in triboelectric potentials between the materials results in electric charging. To increase the understanding of triboelectricity, a two-level Schottky model, assuming ion transfer, was developed to describe the temperature dependence of the triboelectric effect for a TENG. The two levels correspond to the binding energy for ions on the two surfaces that are brought into contact, where the difference in binding energy enters the Boltzmanndistribution. The model describes the decreasing triboelectric effect in TENG:s with increasing temperature as described in the literature, and results in a separation energy, which is of the right order of magnitude for physically adsorbed atoms.

It was recently demonstrated that TENGs can convert wind energy into electrical energy. Here, a TENG based on a plastic film fluttering between two copper electrodes was constructed. It was found that the frequency of the the fluttering film increases linearly with the wind speed. TENG:s designed in this way generate electricity already at low wind speed, and we therefore expect such TENG:s to be useful both as generators and speed sensors in the future.

While quantum mechanics is of importance in a limited number of nanomechanical systems, nanocontacts have a broader meaning, and are crucial for the understanding of triboelectric phenomena. We anticipate that the findings in this thesis will contribute to a better understanding of nanomechanics, in particular the mechanism of triboelectricity.

Abstract [sv]

Nanomekanik är annorlunda än den mekanik vi upplever i vardagen. I nanoskalan, som definieras som storleksområdet 1 -100 nanometer, är vissa fenomen viktiga medan dessa helt kan försummas i den större skalan i vardagslivet. Till exempel har evolutionen på nanoskalan designat en gekkoödlas fötter så att de har en så kraftigvidhäftning till omgivningen att gekkon kan gå omkring i taket. Tittar man på den lilla skalan finner man att materien är diskret och att beskrivning av fenomen i denna skala kräver kvantmekanik. Övergångar mellan kvantnivåer döljs dock ofta vid rumstemperatur av termiska vibrationer hos systemet. När två ytor närmar sig varandra och kommer i kontakt kan elektrostatiska krafter och van der Waalskrafter orsaka omfördelning av materia på nanonivå. En effekt som kan uppträda vid kontakt mellan två ytor är den triboelektriska effekten vid vilken det sker överföring av laddning från den ena ytan till den andra. Denna effekt kan användas för att generera elektrisk energi i triboelektriska nanogeneratorer (TENG:s) där två ytor omväxlande förs ihop och dras isär.

Denna avhandling behandlar nanomekanik med fokus på om kvantmekaniken spelar en viktig roll vid elastisk deformation och även olika mekaniska aspekter hos nanokontakter inklusive elektrisk uppladdning. Målsättningen är att bidra till kunskap om när kvanteffekter är viktiga i nanoskalan och att öka den grundläggande förståelsen för triboelektriska fenomen samt att tillämpa den triboelektriska effekten för en vinddriven energiutvinnande apparat.

För att få bättre förståelse om kvanteffekter är betydelsefulla i nanomekanik har vi gjort en endimensionell fri elektronmodell och använder vanlig balkteori för att beräkna fjäderkonstanten för en nanotråd utgörande en svängande bladfjäder. När nanotråden böjs kommer fler elektrontillstånd att passa i trådens tvärsnittsyta vilket ger upphov till en amplitudberoende resonansfrekvens hos tråden.

Dessutom har vi utvecklat en modell för elektriskt fältinducerad ytdiffusion av adatomer. Modellen tar hänsyn till elektrostatiska krafter samt till van der Waalskrafter när en spänning påläggs mellan en spets i ett sveptunnelmikroskop och en provyta. Den beräknade kraften på adatomerna på provets yta - vilken kommer av det inhomogena elektriska fältet och adatomernas dipolmoment - är relativt liten, men på grund av de termiska vibrationerna kan adatomerna ändå diffundera och bilda en kulle under tippen.

När man sammanför två olika material kommer skillnaden i deras triboelektriska potentialer att orsaka uppladdning. För att öka förståelsen av triboelektriciteten har vi utvecklat en två-nivå Schottkymodell som antar joner som laddningsbärare för att beskriva den triboelektriska uppladdningens temperaturberoende för en TENG. De två nivåerna motsvarar de två kontaktande ytorna. Skillnaden i bindningsenergi mellan joner på ytorna kommer därför in i Boltzmannfaktorn. Modellen beskriver den minskande triboelektriska effekten vid ökande temperatur som rapporterats ilitteraturen, och stöds av att den separationsenergi man finner vid anpassning av modellen till data är av samma storleksordning som skillnaden i bindningsenergi för fysikaliskt ytadsorberade atomer (adatomer).

Nyligen visades det att TENG:s kan omvandla vindenergi till elektrisk energi.Vi har konstruerat en TENG baserad på ett flappande plastband löst inspänt mellan två kopparelektroder. Vi fann att frekvensen hos det flappande plastbandet ökar linjärt med vindhastigheten. TENG designade på detta sätt alstrar elektrisk energi redan vid låga vindhastigheter vilket gör att apparaten kan komma att användas både som generator och som vindhastighetsmätare i framtiden.

Medan kvantmekanik bara är betydelsefull i ett begränsat antal nanomekaniska system har nanokontakter en mer allmän tillämpning och är viktig för förståelsen av triboelektriska fenomen. Vi förutser att resultaten i denna avhandling kan komma att bidra till en bättre förståelse för nanomekanik i allmänhet och för mekanismen för triboelektricitet i synnerhet.

Place, publisher, year, edition, pages
Sundsvall: Mid Sweden University, 2019. p. 50
Series
Mid Sweden University doctoral thesis, ISSN 1652-893X ; 299
Keywords
triboelectricity, adatom, ion, charge, mound, quantum size effect, triboelctric nanogenerator, TENG, wind driven, contact, nanomechanics, fri electron model, nanowire cantilever
National Category
Natural Sciences
Identifiers
urn:nbn:se:miun:diva-36153 (URN)978-91-88947-02-4 (ISBN)
Public defence
2019-06-05, O102, Holmgatan 10, Sundsvall, 10:15 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2019-05-20 Created: 2019-05-18 Last updated: 2019-05-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(391 kB)451 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 391 kBChecksum SHA-512
77511f0478fb001c26351af449a4ee5423271059d0f737e777c377ab424df02ae3b06667b500227e9e876f707704625f4c65801e47eee6d0a98a0c76493848f7
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Olsen, MartinHummelgård, MagnusOlin, Håkan

Search in DiVA

By author/editor
Olsen, MartinHummelgård, MagnusOlin, Håkan
By organisation
Department of applied science and design
In the same journal
PLoS ONE
Natural Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 451 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 1250 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf