Misure e Strumenti di Nanomechanical

Dott. Robert F. Cook, Gruppo dei Beni di Nanomechanical, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Autore Corrispondente: robert.cook@nist.gov

La Nanotecnologia offre i gran opportunità dello sviluppo delle unità avanzate qualità di vita enorme ed i vantaggi economici, le applicazioni che variano dagli azionatori impiantabili biomedici ai rivelatori ambientali della tossina ai telerilevamenti infrastrutturali. Permettere a queste applicazioni è il fatto che i beni meccanici del nano-disgaggio dei materiali sono spesso radicalmente differenti da quelli delle loro controparti di macroscala o alla rinfusa.

Quindi, un requisito critico dell'innovazione e della fabbricazione commerciali di queste unità è lo sviluppo parallelo delle misure nanomechanical per determinare l'elastico, la plastica, i beni di frattura ed e viscosi dei materiali1 e gli stati locali di deformazione e dello sforzo, 2 in dettaglio quantitativo e con risoluzione spaziale di nanometro. La ricerca di misure di Nanomechanical è un campo pluridisciplinare emozionante all'intersezione dei meccanici, della fisica e della chimica: Le Nuove misure nanomechanical non solo rivelano i fenomeni fondamentali al nano-disgaggio ma egualmente hanno applicazione diretta in nanotecnologia.

Molte misure nanomechanical mettono a fuoco sui beni meccanici dei materiali o delle strutture che hanno analoghi macroscopici (per esempio, la misura del modulo elastico, della tensione di snervamento, o della resistenza di frattura). In Questione qui sta realizzando le misure ai piccoli disgaggi di lunghezza. I nuovi fenomeni Intriganti sono osservati in tali misure, quali i moduli elastici aumentati dei nanowires dei piccolo-raggi, ma3,4 forse le misure nanomechanical più interessanti sono quelle messe a fuoco sulla qualità intrinseca meccanica di comportamento al nano-disgaggio: Le Forze connesse con le interazioni fra le superfici diventano comparabili a quelle connesse con deformazione in serie alle piccole scale e5 tali forze sono quantificate mentre i disgaggi intrinsechi di lunghezza del sistema e del materiale si avvicinano a. In Questione qui sta realizzando le misure dei fenomeni su scala ridotta.

Il Gruppo dei Beni di Nanomechanical al National Institute of Standards and Technology, sotto il comando del Dott. Robert F. Cook, sviluppa le tecniche di misura e gli standard per permettere all'uso dei materiali nelle applicazioni nanomechanical. Molti degli strumenti nanomechanical di misura sviluppati sono contatto-sonda basata: Il microscopio Atomico della forza (AFM) o le piattaforme fornite di prova della dentellatura (IIT, o “nanoindentation„) è utilizzata per manipolare tali sonde e beni meccanici della misura delle superfici del materiale con precisione del nano-disgaggio (si veda Figura 1). A strumenti basati a raggio Senza Contatto comprendono la microscopia confocale di Raman (CRM) e la diffrazione di backscatter dell'elettrone (EBSD), usate per la mappatura di sforzo del nano-disgaggio.

Figura 1. Mappa che illustra i modi di contatto dominanti della dentellatura con le variazioni nei beni materiali e nelle configurazioni di misura: La resistenza del rendimento o il tempo materiale Aumentante di misura della prova piombo dalle alle risposte dominate da plastica; la resistenza di flusso viscoso o l'acutezza aumentante del penetratore della sonda (“nitidezza„) piombo dalle alle risposte dominate da viscosa. Le risposte del contatto del nano-disgaggio di molti materiali sono nel centro della mappa, esibente il comportamento della viscoso-elastico-plastica. Vedi il Rif. 1 per maggiori informazioni.

Ai più piccoli disgaggi di lunghezza, le sonde del AFM di ≈ i 10 raggi di nanometro sono usate per misurare gli effetti di umidità sull'aderenza di ≈ i contatti del 1 raggio di nanometro.6 Le Analisi indicano che il lavoro di aderenza comprende i contributi da deformazione elastica della sonda e della superficie, le interazioni di van der Waals fra la sonda e la superficie ed il menisco capillare dell'acqua che circonda il contatto della sonda-superficie.

Allo stesso disgaggio nel vuoto ultraelevato (UHV), la condurre-sonda AFM è usata per misurare i beni delle giunzioni del tunnel del metallo-isolante-metallo costituite dalle piccole molecole7 o dagli strati monomolecolari auto-montati8 sulle superfici dell'oro. I beni meccanici ed elettrici di tali giunzioni coppia forte ed i beni elettrici della barriera di traforo sono una funzione delle forze del contatto del nanonewton-disgaggio. Queste misure sono critiche alla progettazione ed all'operazione dei sistemi nanoelectromechanical, in cui i contatti del nanometro-disgaggio sono utilizzati.

Ai disgaggi leggermente più grandi, facendo uso di 20 nanometro - 40 sonde di nanometro AFM e di 2 nanometro - 3 contatti di nanometro, le tecniche del AFM di risonanza del contatto (CR-AFM) sono usate per misurare e mappare i moduli elastici con risoluzione spaziale migliore di di 10 nanometro. Le mappe di CR-AFM di oro nano-cristallino, 9 il ≈ 70 nanometro di granulometria, mostrano l'eterogeneità elastica significativa con i limiti di granulo considerevolmente più compiacenti dei granuli, spesso un fattore di due più piccoli in modulo (si veda Figura 2).

Figura 2. Mappa del modulo elastico dell'oro di nanocrystalline che illustra i limiti di granulo compiacenti. Questo effetto è critico nella determinazione dei beni elastici dei materiali nanogranular, poichè tali materiali contengono le proporzioni molto maggiori di materiale di granulo-limite riguardante le loro controparti macrogranular. Vedi il Rif. 9 per maggiori informazioni.

Per Contro, le misure di CR-AFM aumenti3 significativi del modulo4 di manifestazione (NWs) sui nanowires di Te e di ZnO, un fattore di due più maggior in serie stima, per NWs con i raggi di meno che il ≈ 50 nanometro, indicativo di influenze estremamente forti della superficie. Tali misure permettono alle previsioni delle risposte dei nanomaterials di sollecitare ed aprire la possibilità per la sintonizzazione dei beni del nanomaterial con controllo di dimensione.

Al più grande disgaggio del AFM, facendo uso di 12 sonde colloidali del µm e di 20 contatti di nanometro, le misure di aderenza rivelano la dominanza della forza capillare del menisco ai contatti di microscala e l'invarianza della forza con umidità relativa.10 Le Simili misure in UHV mostrano la duttilità significativa connessa con le fratture del contatto, anche per i materiali nominalmente friabili quale silicio.11 Le Misure come questi rivelano i fenomeni meccanici intrinsechi al nano-disgaggio ed in questo caso sono critiche nella progettazione delle unità microelectromechanical contro errore dagli effetti di stiction o di attrito.

Ai disgaggi molto piccoli di lunghezza, la plasticità del metallo è quantificata mentre il rendimento è associato con la nucleazione o la propagazione di diverse dislocazioni. Le misure di IIT facendo uso delle sonde del diamante con il grande angolo incluso sono usate per misurare l'inizio di rendimento in monocristalli con le profondità della dentellatura di ≈ 10 il nanometro (≈ 30 raggi della dentellatura di nanometro).12 Combinato con le misure del AFM della forma esatta della sonda, la tensione di snervamento della tosatura del ideale-cristallo è risoluta.

Le misure di IIT con le sonde di piccolo angolo incluso sono usate per misurare la resistenza del nano-disgaggio dei materiali friabili, poichè tali sonde acute possono generare le crepe molto piccole della dentellatura. Le misure Acute di lunghezza della crepa della dentellatura dei materiali dielettrici nanoporous della pellicola sottile indicano che la resistenza è invariante per le crepe piccole quanto 300 nanometro.13 La tensione di Snervamento ed i limiti fondamentali del posto di resistenza sui materiali dei caricamenti possono resistere a e queste misure sono critiche per l'affidabilità delle unità microelettroniche, in cui i metalli ed i dielettrici sono usati dominante al nano-disgaggio.

Le tecniche Senza Contatto di EBSD e di CRM sono usate per mappare le distribuzioni di sforzo delle componenti caricate: Le mappe di CRM con la dimensione del pixel del ≈ 70 nanometro e migliorano che la risoluzione di sforzo del MPa del ≈ 10 permette la misura diretta delle concentrazioni di sforzo ai difetti in silicio (si veda Figura 3).2,14 La Selezione delle lunghezze d'onda differenti di eccitazione del laser per il segnale di Raman tiene conto il sondaggio alle profondità diverse da 50 nanometro ad una sub-superficie di 1,5 µm.

Le mappe di EBSD con risoluzione spaziale del ≈ 10 nanometro forniscono la risoluzione comparabile di sforzo ed il sondaggio superficie-localizzato nanometro complementare 30. Le Misure su una dentellatura di modello del cuneo nell'accordo di manifestazione di Si fra le due tecniche hanno fornito le profondità di informazioni sono comparabili.2 la mappatura di sforzo del Nano-Disgaggio è forse la tecnica di misura nanomechanical più emozionante che è diventata, poichè permette alla verifica diretta della connessione fra i beni nanomechanical materiali e la prestazione delle unità nanomechanical.

Figura 3. mappa di Sforzo di una dentellatura lunga del cuneo di 20 µm in silicio: Il Rosso indica le regioni di sollecitazione di compressione, sforzo di trazione blu. La Conoscenza del campo di sforzo complicato è critica per la determinazione dell'affidabilità delle unità di sistemi microelectromechanical. Vedi il Rif. 2 per maggiori informazioni.

Catturato insieme, le misure discusse sopra, con molti altri, punto ad un tempo vibrante ed emozionante per le applicazioni nanomechanical dei materiali. I Nuovi fenomeni stanno scoprendi al nano-disgaggio, piombo agli sviluppi della fisica, della chimica e della metrologia meccanica. Questi avanzamenti a loro volta stanno permettendo allo sviluppo di nuovi strumenti nanomechanical di misura.

Di Concerto con gli avanzamenti nella potenza di calcolo, che permette regolarmente alle simulazioni multi--milione dell'atomo di comportamento, tali strumenti di misura ora hanno la precisione e la risoluzione spaziale raffinare le attendibilità previsionali delle simulazioni, ulteriori accelerando la commercializzazione di nanotecnologia per sia il consumatore che i prodotti industriali.


Riferimenti

1. “Una guida pratica per analisi dei dati di nanoindentation,„ M.L. Oyen e R.F. Cook, J. Mech. Stuoia del Biomedical di Comportamento., 2 (2009) 396-407.
2. “Confronto delle Misure di Nanoscale di Sforzo e della Sollecitazione facendo uso di Diffrazione Indietro Sparsa dell'Elettrone e di Microscopia Confocale di Raman,„ M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick e R.F. Cook, Appl. Phys. Lettere 93 (2008) 193116.
3. “Moduli Elastici Radiali e Tangenziali Diametro-Dipendenti di ZnO Nanowires,„ G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal e R.F. Cook, Lettere Nane 7 (2007) 3691-3697
4. “Effetto di prossimità di superficie sul modulo elastico dei nanowires di Te,„ G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin e R.F. Cook, Appl. Phys. Lettere 92 (2008) 241908.
5. Intermolecolare e Forze di Superficie, seconda Edizione, J. Israelachvili, Edizione Accademica di Elsevier, Londra (1991).
6. “Origine di Aderenza in Aria Umida,„ D. - I. Kim, J. Grobelny, N. Pradeep e R.F. Cook, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. “Accoppiamento Meccanico ed Elettrico ai Contatti del Nano-Disgaggio del Metallo-Isolante-Metallo, “D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio e R.F. Cook, Appl. Phys. Lettere 93 (2008) 203102.
8. “Elastico, collante e beni di trasporto della tassa di una giunzione del metallo-molecola-metallo: il ruolo dell'orientamento, ordine e copertura,„ F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer e R.F. Cook, Langmuir (2009) DOI molecolari: 10.1021/la902653n.
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11. “Duttilità al nanoscale: Deformazione e frattura dei contatti del collante facendo uso di microscopia atomica della forza,„ N. Pradeep, D. - I. Kim, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz e M.R. Zachariah, Appl. Phys. Lettere 91 (2007) 203114.
12. “Analisi agli'elementi finiti ed indagine sperimentale sul presupposto Hertziano sulla caratterizzazione di rendimento di plastica iniziale,„ L. Ma, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr e L. Levine, J. Mater. Ricerca. 24 (2009) 1059-1068.
13. “Frattura della Dentellatura delle pellicole del basso dielettrico, della Parte I. Experiments e delle osservazioni,„ di D.J. Morris e di R.F. Cook, J. Mater costanti. Ricerca. 23 (2008) 2429-2442; “Modello dei meccanici di frattura della Dentellatura della Parte II.,„ D.J. Morris e R.F. Cook, J. Mater. Ricerca. 23 (2008) 2443-2457.
14. “Effetto dell'orientamento cristallografico sulle trasformazioni di fase durante la dentellatura di silicio, “Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin e R.F. Cook, J. Mater. Ricerca., 24 (2009) 1172-1183.

Copyright AZoNano.com, Dott. Robert Cook (NIST)

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

Last Update: 13. June 2013 23:17

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