Mesures et Outils de Nanomechanical

M. Robert F. Cook, Groupe de Propriétés de Nanomechanical, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Auteur Correspondant : robert.cook@nist.gov

La Nanotechnologie présente des grandes opportunités du développement des dispositifs avancés en énorme qualité de vie et avantages économiques, en applications s'échelonnant des déclencheurs implantables biomédicaux aux détecteurs environnementaux de toxine aux télédétecteurs d'infrastructure. L'Activation de ces applications est le fait que les propriétés mécaniques de nano-échelle des matériaux sont souvent radicalement différentes de ceux de leurs homologues en vrac ou de macro-échelle.

Par Conséquent, une condition critique pour l'innovation et la fabrication commerciales de ces dispositifs est le développement parallèle des mesures nanomechanical pour déterminer l'élastique, le plastique, les propriétés visqueuses, et de fracture des matériaux,1 et les conditions locales de la déformation et du stress, 2 dans le petit groupe quantitatif et avec la résolution spatiale de nanomètre. La recherche de mesures de Nanomechanical est une zone pluridisciplinaire passionnante à l'intersection de la mécanique, de la physique, et de la chimie : Les mesures nanomechanical Neuves indiquent non seulement des phénomènes principaux à la nano-échelle mais ont également l'application directe en nanotechnologie.

Beaucoup de mesures nanomechanical se concentrent sur les propriétés mécaniques des matériaux ou des structures qui ont les analogues macroscopiques (par exemple, la mesure du module élastique, de l'effort de fléchissement, ou de la dureté de fracture). À la délivrance ici exécute des mesures à de petites échelles de longueur. Des phénomènes neufs Intrigants sont observés dans de telles mesures, telles que les plus grands modules élastiques des nanowires de petit-radius, mais3,4 peut-être les mesures nanomechanical les plus intéressantes sont ceux concentrées sur la qualité intrinsèque mécanique de comportement à la nano-échelle : Les Forces associées avec des interactions entre les surfaces deviennent comparables à ceux associées avec la déformation en vrac à de petites échelles et5 de telles forces deviennent à quantification pendant que des échelles intrinsèques de longueur de matériau et de système sont approchées. À la délivrance ici exécute des mesures des phénomènes à petite échelle.

Le Groupe de Propriétés de Nanomechanical au National Institute of Standards and Technology, sous la direction de M. Robert F. Cook, développe des techniques de mesure et des normes pour activer l'utilisation des matériaux dans des applications nanomechanical. Plusieurs des outils nanomechanical de mesure développés sont contact-sonde basée : Le microscope Atomique de force (AFM) ou plates-formes équipées du test d'indentation (IIT, ou les le « nanoindentation ») sont utilisés pour manipuler de telles sondes et propriétés mécaniques de mesure des surfaces du matériau avec la précision de nano-échelle (voir le Schéma 1). Les outils poutre-basés De Non Contact comprennent la microscopie confocale de Raman (CRM) et la diffraction rétrodiffusion d'électron (EBSD), utilisées pour le mappage de stress de nano-échelle.

Le Schéma 1. Plan illustrant les modes de contact dominants d'indentation avec des variations dans les propriétés matérielles et les configurations de mesure : La résistance de rendement ou le temps matérielle Croissante de mesure de test mène aux réactions dominées par le plastique ; la résistance de flux visqueux ou l'acuité croissante de pénétrateur de sonde (« netteté ») mène aux réactions dominées par visqueux. Les réactions de contact de nano-échelle de beaucoup de matériaux sont au centre du plan, montrant le comportement de visqueux-élastique-plastique. Voir le Réf. 1 pour plus de petits groupes.

Aux plus petites échelles de longueur, des sondes d'AFM du ≈ 10 radius de nanomètre sont employées pour mesurer les effets de l'humidité sur l'adhérence du ≈ de 1 des contacts de nanomètre radius.6 Les Analyses prouvent que le travail de l'adhérence comprend des cotisations de la déformation élastique de la sonde et de la surface, des interactions de van der Waals entre la sonde et la surface, et le ménisque capillaire de l'eau entourant le contact de sonde-surface.

À la même échelle dans le vide très poussé (UHV), la conduire-sonde AFM est employée pour mesurer les propriétés des jonctions de tunnel de métal-isolant-métal constituées par des petites molécules7 ou des couches unitaires auto-assemblées8 sur des surfaces d'or. Les propriétés mécaniques et électriques de telles jonctions sont fortement accouplées et les propriétés électriques de barrage de perçage d'un tunnel sont un fonctionnement des forces de contact de nanonewton-échelle. Ces mesures sont critiques au design et au fonctionnement des systèmes nanoelectromechanical, en lesquels des contacts de nanomètre-échelle sont utilisés.

À des échelles légèrement plus grandes, utilisant 20 nanomètre à 40 sondes du nanomètre AFM et 2 nanomètre à 3 contacts de nanomètre, des techniques d'AFM de résonance de contact (CR-AFM) sont employées pour mesurer et tracer les modules élastiques avec la résolution spatiale meilleur que de 10 nanomètre. Les plans de CR-AFM de l'or nano-cristallin, 9 le ≈ 70 nanomètre de grosseur du grain, affichent l'inhomogénéité élastique significative avec des joints de grain considérablement plus conformes que les textures, souvent un facteur de deux plus petits dans le module (voir le Schéma 2).

Le Schéma 2. Plan du module élastique de l'or de nanocrystalline illustrant les joints de grain conformes. Cet effet est critique en déterminant les propriétés élastiques des matériaux nanogranular, car de tels matériaux contiennent des parts beaucoup plus grandes de matériau de texture-borne relativement à leurs homologues macrogranular. Voir le Réf. 9 pour plus de petits groupes.

Réciproquement, les mesures de CR-AFM des augmentations significatives3 de module d'exposition4 sur (NWs) de ZnO et de Te nanowires, un facteur de deux plus grand qu'en vrac évalue, pour NWs avec des radius moins que le ≈ 50 nanomètre, indicatif des influences extrêmement intenses de surface. De Telles mesures permettent à des prévisions des réactions des nanomaterials de charger et ouvrir la possibilité pour ajuster des propriétés de nanomaterial par le contrôle de taille.

À la plus grande échelle d'AFM, utilisant 12 sondes colloïdales de µm et 20 contacts de nanomètre, les mesures d'adhérence indiquent la dominance de la force capillaire de ménisque aux contacts de micro-échelle, et l'invariance de force avec l'hygrométrie.10 Les mesures Assimilées dans UHV affichent la ductilité significative associée avec des fractures de contact, même pour les matériaux nominalement fragiles tels que le silicium.11 Les Mesures de ce type indiquent des phénomènes mécaniques intrinsèques à la nano-échelle, et sont dans ce cas critiques en concevant les dispositifs microelectromechanical contre la défaillance par des effets de friction ou de stiction.

Aux échelles très petites de longueur, la plasticité en métal devient tout à quantification que le rendement est associé avec la nucléation ou le bouturage de différentes dislocations. Des mesures d'IIT utilisant des sondes de diamant avec la grande cornière incluse sont employées pour mesurer le début du rendement en monocristaux avec des profondeurs d'indentation du ≈ 10 nanomètre (≈ 30 radius d'indentation de nanomètre).12 Combiné avec des mesures d'AFM de la forme exacte de la sonde, l'effort de fléchissement de cisaillement d'idéal-cristal est déterminé.

Des mesures d'IIT avec des sondes de petite cornière incluse sont employées pour mesurer la dureté de nano-échelle des matériaux fragiles, car de telles sondes aiguës peuvent produire des fissures très petites d'indentation. Les mesures Aiguës de longueur de fêlure d'indentation des matériaux diélectriques de film mince nanoporous prouvent que la dureté est invariable pour des fissures aussi petites que 300 nanomètre.13 L'effort de Fléchissement et les limites principales de place de dureté sur les matériaux de charges peuvent supporter, et ces mesures sont critiques pour la fiabilité des dispositifs microélectroniques, en lesquels des métaux et les diélectriques sont utilisés dominant à la nano-échelle.

Des techniques De Non Contact de CRM et d'EBSD sont employées pour tracer des distributions de stress dans les composants chargés : Les plans de CRM avec la taille de pixel du ≈ 70 nanomètre et améliorent que la définition de stress d'Avion de patrouille maritime du ≈ 10 permettent la mesure directe des concentrations de contrainte aux défauts en silicium (voir le Schéma 3).2,14 La Sélection de différentes longueurs d'onde d'excitation de laser pour le signe de Raman tient compte du sondage aux profondeurs différentes de 50 nanomètre à la sous-surface de 1,5 µm.

Les plans d'EBSD avec la résolution spatiale du ≈ 10 nanomètre fournissent la définition comparable de stress et le sondage 30 surface-localisé par nanomètre complémentaire. Les Mesures sur une indentation modèle de clavette dans la convention d'exposition de SI entre les deux techniques ont fourni les profondeurs de l'information sont comparables.2 le mappage de stress de Nano-Échelle est peut-être la technique de mesure nanomechanical la plus passionnante étant développée, car il active la vérification directe de la connexion entre les propriétés nanomechanical matérielles et la performance des dispositifs nanomechanical.

Le Schéma 3. plan de Stress d'une longue indentation de clavette de 20 µm en silicium : Le Rouge indique des régions d'effort de compression, contrainte de traction bleue. La Connaissance du champ de contrainte compliqué est critique pour déterminer la fiabilité des dispositifs de systèmes microelectromechanical. Voir le Réf. 2 pour plus de petits groupes.

Pris ensemble, les mesures discutées au-dessus de, avec on d'autres, remarque à un temps vibrant et passionnant pour des applications nanomechanical des matériaux. Des phénomènes Neufs sont découverts à la nano-échelle, menant aux avances en physique, chimie, et métrologie mécanique. Ces avances consécutivement activent le développement des outils nanomechanical neufs de mesure.

De concert avec des avances dans l'alimentation électrique de calcul, qui active régulièrement des simulations portant sur plusieurs millions d'atome du comportement, de tels outils de mesure ont maintenant la précision et la résolution spatiale de polir les capacités prévisionnelles des simulations, autres accélérant la commercialisation de la nanotechnologie pour le consommateur et les produits industriels.


Références

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2. « Comparaison des Mesures de Nanoscale de Tension et de Stress utilisant la Diffraction De Retour Dispersée d'Électron et la Microscopie Confocale de Raman, » M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, et R.F. Cook, APPL. Phys. Lettres 93 (2008) 193116.
3. « les Modules Élastiques Radiaux et Tangentiels Diamètre-Dépendants de ZnO Nanowires, » G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, et R.F. Cook, Nano Marque Avec Des Lettres 7 (2007) 3691-3697
4. « Effet de la proximité extérieure sur le module élastique des nanowires de Te, » G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, et R.F. Cook, APPL. Phys. Lettres 92 (2008) 241908.
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7. « Couplage Mécanique et Électrique aux Contacts de Nano-Échelle de Métal-Isolant-Métal, « D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio, et R.F. Cook, APPL. Phys. Lettres 93 (2008) 203102.
8. « Élastique, adhésif, et propriétés de transport de charge d'une jonction de métal-molécule-métal : le rôle de l'orientation moléculaire, la commande, et la couverture, le » F.W. DelRio, le K.L. Steffens, le C. Jaye, le D.A. Fischer, et le R.F. Cook, Langmuir (2009) DOI : 10.1021/la902653n.
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Droit d'auteur AZoNano.com, M. Robert Cook (NIST)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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