Mediciones y Herramientas de Nanomechanical

El Dr. Roberto F. Cook, Grupo de las Propiedades de Nanomechanical, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Autor Correspondiente: robert.cook@nist.gov

La Nanotecnología provee de las grandes oportunidades para el revelado de dispositivos avanzados de calidad de vida enorme y de ventajas económicas, las aplicaciones que colocan de los actuadores implantables biomédicos a los detectores ambientales de la toxina a los sensores remotos infraestructurales. La Activação de estas aplicaciones es el hecho de que las propiedades mecánicas de la nano-escala de materiales son a menudo radicalmente diferentes de las de sus contrapartes del bulto o de la macroescala.

Por Lo Tanto, un requisito crítico para la innovación y la fabricación comerciales de estos dispositivos es el revelado paralelo de las mediciones nanomechanical para determinar el elástico, el plástico, las propiedades viscosas, y de la fractura de materiales,1 y los estados locales de la deformación y de la tensión, 2 en detalle cuantitativo y con la resolución espacial del nanómetro. La investigación de las mediciones de Nanomechanical es un campo multidisciplinario emocionante en la intersección de mecánicos, de la física, y de la química: Las Nuevas mediciones nanomechanical no sólo revelan fenómenos fundamentales en la nano-escala pero también tienen aplicación directa en nanotecnología.

Muchas mediciones nanomechanical se centran en propiedades mecánicas de los materiales o de las estructuras que tienen análogos macroscópicos (e.g., la medición del módulo de elástico, de la tensión de rendimiento, o de la fortaleza de la fractura). En la edición aquí está realizando mediciones en las pequeñas escalas de la longitud. Los nuevos fenómenos Intrigantes se observan en tales mediciones, tales como módulos de elástico crecientes de los nanowires de los pequeño-radios, pero3,4 quizás las mediciones nanomechanical más interesantes son ésas centradas en lo intrínseco mecánico del comportamiento a la nano-escala: Las Fuerzas asociadas a acciones recíprocas entre las superficies llegan a ser comparables a ésas asociadas a la deformación a granel en las pequeñas escalas y5 tales fuerzas se cuantifican mientras que se acercan las escalas intrínsecas de la longitud del material y del sistema. En la edición aquí está realizando mediciones de fenómenos a escala reducida.

El Grupo de las Propiedades de Nanomechanical en el National Institute of Standards and Technology, bajo liderazgo del Dr. Roberto F. Cook, desarrolla técnicas de medición y patrones para activar el uso de materiales en aplicaciones nanomechanical. Muchas de las herramientas nanomechanical de la medición desarrolladas son contacto-antena basada: El microscopio Atómico de la fuerza (AFM) o las plataformas equipadas de la prueba del sangrado de márgenes (IIT, o “nanoindentation”) se utiliza para manipular tales antenas y propiedades mecánicas de la dimensión de superficies materiales con la precisión de la nano-escala (véase el Cuadro 1). Las herramientas haz-basadas Sin Contacto incluyen la microscopia confocal y (CRM) la difracción del retrodifusor del electrón (EBSD) de Raman, usadas para la correspondencia de la tensión de la nano-escala.

Cuadro 1. Correspondencia que ilustra los modos de contacto dominantes del sangrado de márgenes con variaciones en propiedades materiales y configuraciones de la medición: La resistencia del rendimiento o el tiempo material Cada Vez Mayor de la medición de la prueba lleva a las reacciones plástico-dominadas; la resistencia del flujo viscoso o la acuidad cada vez mayor del penetrador de la antena (“agudeza”) lleva a las reacciones viscoso-dominadas. Las reacciones del contacto de la nano-escala de muchos materiales están en el centro de la correspondencia, exhibiendo comportamiento del viscoso-elástico-plástico. Vea la Referencia. 1 para más detalles.

En las escalas más pequeñas de la longitud, las antenas del AFM del ≈ 10 radios del nanómetro se utilizan para medir los efectos de la humedad sobre la adherencia del ≈ los contactos de 1 radio del nanómetro.6 Los Análisis muestran que el trabajo de la adherencia incluye contribuciones de la deformación elástica de la antena y de la superficie, las acciones recíprocas de van der Waals entre la antena y la superficie, y el menisco capilar del agua que rodea el contacto de la antena-superficie.

En la misma escala en vacío ultraalto (UHV), la conducto-antena AFM se utiliza para medir las propiedades de las uniones del túnel del metal-aislador-metal formadas por las pequeñas moléculas7 o las capas monomoleculares uno mismo-ensambladas8 en superficies del oro. Las propiedades mecánicas y eléctricas de tales uniones se acoplan fuertemente y las propiedades eléctricas de la barrera el hacer un túnel son una función de las fuerzas del contacto de la nanonewton-escala. Estas mediciones son críticas al diseño y a la operación de los sistemas nanoelectromechanical, en los cuales se utilizan los contactos de la nanómetro-escala.

En escalas ligeramente más grandes, usando 20 nanómetro a 40 antenas del nanómetro AFM y 2 nanómetro a 3 contactos del nanómetro, las técnicas del AFM de la resonancia del contacto (CR-AFM) se utilizan para medir y para correlacionar módulos de elástico con la resolución espacial mejor de 10 nanómetro. Las correspondencias de CR-AFM del oro nano-cristalino,9 ≈ 70 nanómetro de la talla de grano, muestran inhomogeneidad elástico importante con los límites de grano considerablemente más obedientes que los granos, a menudo un factor de dos más pequeños en módulo (véase el Cuadro 2).

Cuadro 2. Correspondencia del módulo de elástico del oro del nanocrystalline que ilustra los límites de grano obedientes. Este efecto es crítico en la determinación de las propiedades elásticos de materiales nanogranular, pues tales materiales contienen proporciones mucho mayores de material del grano-límite en relación con sus contrapartes macrogranular. Vea la Referencia. 9 para más detalles.

Inversamente, las mediciones de CR-AFM en los aumentos3 importantes del módulo4 de la demostración (NWs) de los nanowires de ZnO y de Te, un factor de dos mayor que a granel valoran, para NWs con los radios menos que el ≈ 50 nanómetro, indicativo de influencias extremadamente fuertes de la superficie. Tales mediciones permiten a las predicciones de las reacciones de nanomaterials esfuerzo y abrir la posibilidad de sintonizar propiedades del nanomaterial con mando de la talla.

En la escala más grande del AFM, usando 12 antenas coloidales del µm y 20 contactos del nanómetro, las mediciones de la adherencia revelan la dominación de la fuerza capilar del menisco en los contactos de la microescala, y la invariación de la fuerza con humedad relativa.10 Las mediciones Similares en UHV muestran la ductilidad importante asociada a fracturas del contacto, incluso para los materiales nominal quebradizos tales como silicio.11 Las Mediciones tales como éstos revelan los fenómenos mecánicos intrínsecos a la nano-escala, y en este caso son críticas en el diseño de los dispositivos microelectromecánicos contra incidente por efectos de la fricción o del stiction.

En las escalas muy pequeñas de la longitud, la plasticidad del metal se cuantifica mientras que el rendimiento se asocia a la nucleación o a la propagación de dislocaciones individuales. Las mediciones de IIT usando antenas del diamante con ángulo incluido grande se utilizan para medir el inicio del rendimiento en únicos cristales con profundidades del sangrado de márgenes del ≈ 10 nanómetro (≈ 30 radios del sangrado de márgenes del nanómetro).12 Combinado con mediciones del AFM de la dimensión de una variable exacta de la antena, la tensión de rendimiento de la resistencia del ideal-cristal es resuelta.

Las mediciones de IIT con las antenas del pequeño ángulo incluido se utilizan para medir la fortaleza de la nano-escala de materiales quebradizos, pues tales antenas agudas pueden generar las rajaduras muy pequeñas del sangrado de márgenes. Las mediciones Agudas de la longitud de la rajadura del sangrado de márgenes de los materiales dieléctricos nanoporous de la película fina muestran que la fortaleza es invariante para las rajaduras tan pequeñas como 300 nanómetro.13 La tensión de Rendimiento y los límites fundamentales del lugar de la fortaleza en los materiales de las cargas pueden soportar, y estas mediciones son críticas para la confiabilidad de los dispositivos microelectrónicos, en los cuales los metales y los dieléctricos se utilizan penetrante en la nano-escala.

Las técnicas Sin Contacto de CRM y de EBSD se utilizan para correlacionar distribuciones de la tensión en componentes cargados: Las correspondencias de CRM con talla del pixel del ≈ 70 nanómetro y mejoran que la resolución de la tensión del MPa del ≈ 10 permite la medición directa de las concentraciones de tensión en los defectos en silicio (véase el Cuadro 3).2,14 La Selección de diversas longitudes de onda de la excitación del laser para la señal de Raman permite sondar en diversas profundidades a partir del 50 nanómetro a la superficie inferior de 1,5 µm.

Las correspondencias de EBSD con la resolución espacial del ≈ 10 nanómetro proporcionan a la resolución comparable de la tensión y a sondeo superficie-localizado nanómetro complementario 30. Las Mediciones en un sangrado de márgenes modelo de la cuña en el acuerdo de la demostración del Si entre las dos técnicas proporcionaron a las profundidades de la información son comparables.2 la correspondencia de la tensión de la Nano-Escala es quizás la técnica de medición nanomechanical más emocionante que es convertida, pues activa la verificación directa de la conexión entre las propiedades nanomechanical materiales y el funcionamiento de dispositivos nanomechanical.

Cuadro 3. correspondencia de la Tensión de un sangrado de márgenes largo de la cuña de 20 µm en silicio: El Rojo indica regiones de esfuerzo de compresión, tensión de tensión azul. El Conocimiento del campo de tensión complicado es crítico para determinar la confiabilidad de los dispositivos de sistemas microelectromecánicos. Vea la Referencia. 2 para más detalles.

Llevado junto, las mediciones discutidas encima de, junto con muchos otros, punta un rato vibrante y emocionante para las aplicaciones nanomechanical de materiales. Los Nuevos fenómenos se están descubriendo en la nano-escala, llevando a los avances en la física, la química, y la metrología mecánica. Estos avances a su vez están activando el revelado de las nuevas herramientas nanomechanical de la medición.

Conjuntamente con avances en la potencia de cómputo, que activa regularmente simulaciones multimillonarias del átomo del comportamiento, tales herramientas de la medición ahora tienen la precisión y la resolución espacial de refinar las capacidades proféticas de simulaciones, más futuras apresurando la comercialización de la nanotecnología para el consumidor y los productos industriales.


Referencias

1. “Una guía práctica para el análisis de los datos del nanoindentation,” M.L. Oyen y R.F. Cook, J. Mech. Estera del Biomedical del Comportamiento., 2 (2009) 396-407.
2. “Comparación de las Mediciones de Nanoscale de la Deformación y de la Tensión usando la Difracción Detrás Dispersa del Electrón y la Microscopia Confocal de Raman,” M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, y R.F. Cook, Appl. Phys. Cartas 93 (2008) 193116.
3. “Módulos de Elástico Radiales y Tangenciales Diámetro-Relacionados de ZnO Nanowires,” G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, y R.F. Cook, Cartas Nanas 7 (2007) 3691-3697
4. “Efecto de la proximidad superficial sobre el módulo de elástico de los nanowires de Te,” G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, y R.F. Cook, Appl. Phys. Cartas 92 (2008) 241908.
5. Fuerzas Intermoleculares y Superficiales, 2da Edición, J. Israelachvili, Prensa Académica de Elsevier, Londres (1991).
6. “Origen de la Adherencia en Aire Húmedo,” D. - I. Kim, J. Grobelny, N. Pradeep, y R.F. Cook, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. “Acoplamiento Mecánico y Eléctrico en los Contactos de la Nano-Escala del Metal-Aislador-Metal, “D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio, y R.F. Cook, Appl. Phys. Cartas 93 (2008) 203102.
8. “Elástico, adhesivo, y propiedades de transporte de la carga de una unión del metal-molécula-metal: el papel de la orientación, orden, y cubrimiento,” F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer, y R.F. moleculares Cook, Langmuir (2009) DOI: 10.1021/la902653n.
9. “Correlacionando las propiedades elásticos de las películas granulares del Au por microscopia atómica de la fuerza de la resonancia del contacto,” G. Stan y R.F. Cook, Nanotecnología 19 (2008) 235701.
10. “Cuantificación del efecto del menisco en mediciones de la fuerza de la adherencia,” J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. Kim, y Z.C. Ying, Appl. Phys. Cartas 88 (2006) 091906.
11. “Ductilidad en el nanoscale: Deformación y fractura de los contactos del adhesivo usando microscopia atómica de la fuerza,” N. Pradeep, D. - I. Kim, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz, y M.R. Zachariah, Appl. Phys. Cartas 91 (2007) 203114.
12. “Análisis de elemento Finito e investigación experimental de la suposición Hertziana en la caracterización del rendimiento plástico inicial,” L. Ma, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr, y L. Levine, J. Mater. Res. 24 (2009) 1059-1068.
13. “Fractura del Sangrado De Márgenes de las películas del inferior-dieléctrico, de la Parte I. Experiments y de observaciones,” de D.J. Morris y de R.F. constantes Cook, J. Mater. Res. 23 (2008) 2429-2442; “Modelo de los mecánicos de la fractura del Sangrado De Márgenes de la Parte II.,” D.J. Morris y R.F. Cook, J. Mater. Res. 23 (2008) 2443-2457.
14. “Efecto de la orientación cristalográfica sobre transformaciones de la fase durante el sangrado de márgenes del silicio, “Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin, y R.F. Cook, J. Mater. Res., 24 (2009) 1172-1183.

Derechos De Autor AZoNano.com, el Dr. Roberto Cook (NIST)

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

Last Update: 13. June 2013 23:42

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