Maße und Hilfsmittel Nanomechanical

Dr. Robert F. Cook, Nanomechanical-Eigenschaften-Gruppe, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Entsprechender Autor: robert.cook@nist.gov

Nanotechnologie versieht große Gelegenheiten für die Entwicklung von hoch entwickelten Einheiten mit enormer Qualität-vonlebensdauer und wirtschaftlichem Nutzen, wenn die Anwendungen von den biomedizinischen verpflanzbaren Stellzylindern reichen, bis zu Umweltgiftstoffdetektoren bis zu Infrastrukturfernfühlern. Diese Anwendungen Zu Aktivieren ist die Tatsache, dass Nano-schuppe mechanische Eigenschaften von Materialien häufig zu denen ihrer Massen- oder Makroskalakollegen radikal unterschiedlich sind.

Folglich ist eine kritische Anforderung für die Handelsinnovation und die Herstellung dieser Einheiten die parallele Entwicklung von den nanomechanical Maßen, zum des Gummibandes, des Plastiks, zähflüssigen und Bruchder eigenschaften der Materialien und1 der lokalen Zustände der Deformation und des Druckes, ausführlich2 quantitatives und mit nmortsauflösung zu bestimmen. Nanomechanical-Maßforschung ist ein aufregender multidisziplinärer Bereich am Schnitt von Mechanikern, von Physik und von Chemie: Neue nanomechanical Maße decken nicht nur auf, grundlegende Phänomene an der Nano-schuppe aber haben auch Direktanmeldung in der Nanotechnologie.

Viele nanomechanical Maße konzentrieren sich auf mechanische Eigenschaften von Materialien oder von Zellen, die makroskopische Entsprechungen haben (z.B., das Maß des Elastizitätsmoduls, des Ertragdruckes oder der Bruchhärte). Am Punkt hier führt Maße an den kleinen Längenschuppen durch. Faszinierende neue Phänomene werden in solchen Maßen, wie erhöhten Elastizitätsmodulen von Klein-radien nanowires beobachtet, aber3,4 möglicherweise sind die interessantesten nanomechanical Maße die, die auf mechanischen Verhalten Intrinsic zur Nano-schuppe gerichtet werden: Die Kräfte, die mit Interaktionen zwischen Oberflächen verbunden sind, werden mit denen vergleichbar, die mit Massendeformation an den kleinen Maßstäben verbunden sind und5 solche Kräfte werden quantisiert, während tatsächliche Material- und Anlagenlängenschuppen genähert werden. Am Punkt hier führt Maße von kleinräumigen Phänomenen durch.

Die Nanomechanical-Eigenschaften-Gruppe am National Institute of Standards and Technology, unter Führung von Dr. Robert F. Cook, entwickelt Maßtechniken und Standards, um den Gebrauch von Materialien in den nanomechanical Anwendungen zu aktivieren. Viele der nanomechanical Maßhilfsmittel, die entwickelt werden, sind der basierte Kontaktfühler: Atomkraftmikroskop (AFM) oder instrumentierte Plattformen der Einrückungsprüfung (IIT oder „nanoindentation“) werden verwendet, um solche Fühler und mechanischen Eigenschaften der Maßnahme von Materialoberflächen mit Nano-schuppe Präzision zu manipulieren (siehe Abbildung 1). Berührungsfreie Träger-basierte Hilfsmittel umfassen confocal Raman-Mikroskopie (CRM) und die Elektronrückstreubeugung (EBSD), verwendet für das Nano-schuppe Druckabbilden.

Abbildung 1. Karte, welche die dominierenden Einrückungskontaktmodi mit Varianten in den Materialeigenschaften und in den Maßkonfigurationen darstellt: Zunehmender materieller Ertragwiderstand oder Prüfungsmaßzeit führt zu Plastik-dominierte Antworten; zunehmende zähflüssige Strömungswiderstand- oder Fühlerzahnwalzenschärfe („Schärfe“) führt zu zähflüssig-dominierte Antworten. Die Nano-schuppe Kontaktantworten vieler Materialien sind in der Mitte der Karte und weisen Zähflüssig-elastischplastikverhalten auf. Sehen Sie Bezug 1 für weitere Einzelheiten.

An den kleinsten Längenschuppen werden FLUGHANDBUCH-Fühler von ≈ 10 nm-Radius verwendet, um die Effekte der Feuchtigkeit auf den Beitritt von ≈ zu messen die Kontakte mit 1 nm-Radien.6 Analysen zeigen, dass die Arbeit des Beitrittes Beiträge von der elastischen Deformation des Fühlers und der Oberfläche, Interaktionen van Der Waals zwischen dem Fühler und Oberfläche umfaßt, und der Kapillarwassermeniskus, der den Fühleroberfläche Kontakt umgibt.

An der gleichen Schuppe im Ultrahochvakuum (UHV), wird Leitenfühler FLUGHANDBUCH verwendet, um die Eigenschaften von den Metall-Isolatormetalltunnelkreuzungen zu messen, die durch kleine Moleküle oder7 selbst-zusammengebaute monomolekulare Schichten auf8 Goldoberflächen gebildet werden. Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften solcher Kreuzungen werden stark verbunden und die elektrischen Tunnelbausperreneigenschaften sind eine Funktion der Nanonewtonschuppe Kontaktkräfte. Diese Maße sind zur Auslegung und zur Operation von nanoelectromechanical Anlagen kritisch, in denen Nmschuppe Kontakte verwendet werden.

An den etwas größeren Schuppen unter Verwendung 20 nm bis 40 nm FLUGHANDBUCH-Fühler und 2 nm bis 3 nm-Kontakte, werden Techniken Kontaktresonanz FLUGHANDBUCHS (CR-AFM) verwendet, um Elastizitätsmodule mit besser als 10 nm der Ortsauflösung zu messen und abzubilden. CR-AFM Karten des Nano--kristallenen Goldes, 9 Korngröße ≈ 70 nm, zeigen beträchtlichen elastischen Inhomogeneity mit den Kristallgrenzen beträchtlich konformer als die Körner, häufig ein Faktor von zwei kleiner im Modul (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2. Karte des Elastizitätsmoduls nanocrystalline Goldes die konformen Kristallgrenzen darstellend. Dieser Effekt ist kritisch, wenn man die elastischen Eigenschaften von nanogranular Materialien bestimmt, wie solche Materialien viel größere Anteile des Korngrenzematerials im Verhältnis zu ihren macrogranular Kollegen enthalten. Sehen Sie Bezug 9 für weitere Einzelheiten.

Andererseits bewertet CR-AFM Maße auf3 nanowires ZnO4 und (NWs) Te beträchtliche Modulzunahmen der Show, ein Faktor von zwei größer als Massen, für NWs mit Radien kleiner als ≈ 50 nm, hinweisend von den extrem starken Oberflächeneinflüssen. Solche Maße aktivieren Vorhersagen der Antworten von Nanomaterials, die Möglichkeit für die Justage von Nanomaterialeigenschaften durch Größenregelung zu betonen und zu öffnen.

An der größten FLUGHANDBUCH-Schuppe unter Verwendung 12 µm kolloidaler Fühler und 20 nm-Kontakte, decken Beitrittsmaße die Herrschaft der haarartigen Meniskuskraft an den Mikroskalakontakten und Kraftinvarianz mit relativer Luftfeuchtigkeit auf.10 Ähnliche Maße in UHV zeigen die beträchtliche Duktilität, die mit Kontaktbrüchen, sogar für nominal spröde Materialien wie Silikon verbunden ist.11 Maße wie diese decken die mechanischen Phänomene auf, die zur Nano-schuppe tatsächlich sind, und sind in diesem Fall kritisch, wenn sie microelectromechanical Einheiten gegen Versagen durch Reibungs- oder stictionseffekte konstruieren.

An den sehr kleinen Längenschuppen wird Metallplastizität quantisiert, während Ertrag auf die Kernbildung oder die Ausbreitung von einzelnen Versetzungen sich bezieht. IIT-Maße unter Verwendung der Diamantfühler mit großem Öffnungswinkel werden verwendet, um den Anfang des Ertrags in den einzelnen Kristallen mit Einrückungstiefen von ≈ 10 nm (≈ 30 nm-Einrückungsradius) zu messen.12 Kombiniert mit FLUGHANDBUCH-Maßen der genauen Form des Fühlers, ist- der Idealkristall Scherertragdruck entschlossen.

IIT-Maße mit Fühlern des kleinen Öffnungswinkels werden verwendet, um die Nano-schuppe Härte von spröden Materialien zu messen, da solche akuten Fühler sehr kleine Einrückungsbrüche erzeugen können. Akute Einrückungsbruch-Längenmaße von nanoporous dielektrischen Materialien des Dünnfilms zeigen, dass Härte für die Brüche unveränderlich ist, die nm so klein sind wie 300.13 Ertragdruck und grundlegende Grenzen des Härteplatzes auf den Belastungsmaterialien können widerstehen, und diese Maße sind für Zuverlässigkeit von Mikroelektronischen Einheiten kritisch, in denen Metalle und Dielektrika durchdringend an der Nano-schuppe verwendet werden.

Berührungsfreie CRM- und EBSD-Techniken werden verwendet, um Druckverteilungen in belasteten Bauteilen abzubilden: CRM-Karten mit ≈ 70 nm Pixelgröße und verbessern, als ≈ 10 MPa-Druckauflösung direktes Maß von Kerbwirkungen an den Defekten im Silikon erlauben (siehe Abbildung 3).2,14 Auswahl von verschiedenen Laser-Erregungswellenlängen für das Raman-Signal lässt das Prüfen an den verschiedenen Tiefen von 50 nm zu 1,5 µm Boden unter der Oberfläche zu.

EBSD-Karten mit ≈ 10 nm Ortsauflösung liefern vergleichbare Druckauflösung und ergänzendes nm Oberfläche-lokalisiertes Prüfen 30. Maße auf einer vorbildlichen Keileinrückung in der Sishowvereinbarung zwischen den zwei Techniken lieferten die Informationstiefen sind vergleichbar.2 das Nano--Schuppe Druckabbilden ist möglicherweise die aufregendste nanomechanical Maßtechnik, die sich entwickelt wird, da es direkte Überprüfung des Anschlusses zwischen materiellen nanomechanical Eigenschaften und der Leistung von nanomechanical Einheiten aktiviert.

Abbildung 3. Druckkarte einer 20 µm langen Keileinrückung im Silikon: Rot zeigt Regionen der Druckspannung, blaue Zugspannung an. Kenntnisse des schwierigen Spannungsfelds sind für die Bestimmung der Zuverlässigkeit der microelectromechanical Anlageneinheiten kritisch. Sehen Sie Bezug 2 für weitere Einzelheiten.

Zusammen Genommen, die Maße behandelt über, zusammen mit vielen andere, Punkt zu einer vibrierenden und aufregenden Zeit für nanomechanical Anwendungen von Materialien. Neue Phänomene werden an der Nano-schuppe entdeckt und führen zu Fortschritte in der Physik, in der Chemie und in der mechanischen Metrologie. Diese Fortschritte der Reihe nach aktivieren die Entwicklung von neuen nanomechanical Maßhilfsmitteln.

In Übereinstimmung mit Fortschritten in der Rechenleistung, die regelmäßig multi--Million Atomsimulationen des Verhaltens aktiviert, haben solche Maßhilfsmittel jetzt die Präzision und die Ortsauflösung, die vorbestimmten Fähigkeiten von Simulationen weiter zu entwickeln, weiter, die Kommerzialisierung der Nanotechnologie für Verbraucher und Industrieprodukte beschleunigend.


Bezüge

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3. „Durchmesser-Abhängige Radial- und Tangentiale Elastizitätsmodule von ZnO Nanowires,“ G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal und R.F. Cook, Nano-Schreiben 7 (2007) 3691-3697
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Copyright AZoNano.com, Dr. Robert Cook (NIST)

Date Added: Jan 17, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:13

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