Towards uncovering the charge carriers in tribocharging

Abstract

Wenn sich zwei elektrisch neutrale Objekte berühren, kann dies zu einem Ladungsaustausch führen. Dieses Phänomen nennt sich triboelektrischer Effekt oder “tribocharging”. Obwohl dieser Prozess bereits seit über 2000 Jahren bekannt ist, sind viele Aspekte davon bis heute zu großen Teilen ungeklärt. Allen voran ist hierbei die Frage nach der Identität der Ladungsträger, welche für den Ladungsaustausch verantwortlich sind. Während oftmals Elektronen als wahrscheinlichste Ladungsträger gehandhabt werden, gibt es auch Thesen, in welchen Ionen für den Ladungstransport verantwortlich gemacht werden, da für beide Ansätze unterstützende experimentelle Ergebnisse vorliegen. Im Zuge dieser Arbeit wird deshalb ein Experiment entworfen, welches in weiterer Folge zum Ziel hat die Rolle von Ionen im triboelektrischen Effekt endgültig zu bestimmen. Dadurch, dass Ionen und Elektronen einen großen Massenunterschied aufweisen, wird ein Massenspektrometer verwendet. Die Idee des Experiments lautet wie folgt: Der triboelektrische Effekt wird verwendet, um zwei nichtleitende Proben aneinander elektrisch aufzuladen, danach wird eine der Proben nahe am Eingang eines Massenspektrometers erhitzt. Dieser Temperaturanstieg könnte zu Desorption von Ionen führen. Wenn die Anzahl der desorbierten Ionen mit der Gesamtladung der Probe korreliert, wäre die Existenz von ionischen Ladungsträgern im triboelektrischen Effekt unbestritten. Um aber dieses Experiment umsetzen zu können, müssen zuerst einige grundsätzliche Fragen geklärt werden, was schlussendlich den Inhalt dieser Diplomarbeit darstellt. Abgesehen vom generellen Aufbau des Experiments ist ein essenzieller Punkt die Notwendigkeit eines passenden Ladungsmessungsapparats, da Objekte vermessen werden müssen, ohne jemals mit ihnen in Kontakt zu kommen. Dafür wird ein Messsystem mit zwei individuellen Messpunkten entworfen, verbaut und auf dessen Kapazitäten getestet. Mit diesem System wird in weiterer Folge der triboelektrische Effekt bei verschiedenen Drücken charakterisiert, wobei besonderer Fokus auf das theoretische sowie experimentelle Entladungsverhalten gelegt wird. Schlussendlich wird thematisiert, ob thermische Desorption von Ionen prinzipiell möglich ist. Dabei werden experimentell erhobene Daten präsentiert, welche die Machbarkeit jener Desorption nahelegen.

If two electrically neutral materials are brought into contact, an exchange of charge can occur. This effect, called tribocharging, has been known for over 2000 years, yet its mechanism is still poorly understood. Perhaps one of the most puzzling questions is the identity of the charge-carrier itself. While it is often assumed that the carriers are electrons, they could also be ions, and different experiments in different circumstances provide suggestive evidence for both cases. In order to address this fundamental issue, we develop an experiment with the end goal to undoubtedly determine the role of ionic charge transfer in insulator contact charging. Since ions are best differentiated from electrons by their huge mass difference, a mass spectrometer is utilized. The experiment is planned as follows: An insulating sample is charged up via contact with another sample before facing the entrance of a mass spectrometer. Afterwards the sample’s temperature is increased, which could lead to thermal ionic desorption. If the amount of thermally desorbing ions can be correlated to the total charge exchange, the existence of ionic charge carriers in contact charging would be undisputed. In order to arrive at this stage of the experiment, a number of unresolved issues have to be addressed first, representing the subject of this thesis. Apart from setting up the experiment in general, the first primary task is given by the need of a suitable contact-less charge measurement system. For this, a system is designed, built and tested for its capabilities. Two separate measurement points are in place in order to ensure the charge exchange is accurately tracked. Said system is then utilized to characterise the behaviour of contact charging at different pressure levels, putting special focus on the theoretical as well as the experimental discharging behaviour. Lastly, the feasibility of thermal ionic desorption in general is discussed, including preliminary experiments that support the idea of said desorption.