Nanomechanical の測定およびツール

ロバート F. CookNanomechanical の特性のグループ国立標準技術研究所 (NIST) 先生
対応する著者: robert.cook@nist.gov

ナノテクノロジーは生物医学的な implantable アクチュエーターまでから環境の毒素の探知器基本設備のリモートセンサーまで及ぶアプリケーションを巨大な品質の生命および経済的な利点を高度装置の開発に絶好の機会に、与えます。 これらのアプリケーションを可能にすることは材料の nano スケールの機械特性が頻繁に大きさまたはマクロスケールの同等のそれらと根本的に異なるという事実です。

それ故に、これらの装置の商業革新そして製造業のための重大な条件は変形および圧力の、量的な細部のそしてナノメーターの空間分解能の材料のゴム、プラスチック、粘性の、1およびひびの特性、およびローカル州を定める2 nanomechanical 測定の平行開発です。 Nanomechanical の測定の研究は機械工、物理学および化学の交差にエキサイティングで学際的なフィールドです: 新しい nanomechanical 測定ただ基本的な現象を nano スケールで明らかにするためしかしまたナノテクノロジーの直接アプリケーションを持つため。

多くのマクロスコピックアナログ (弾性率、降伏応力、またはひびの靭性の例えば、測定) がある構造か材料の機械特性の nanomechanical 測定の焦点。 問題になったここに小さい長さのスケールで測定を行っています。 陰謀的で新しい現象は小型半径の nanowires の増加された弾性率のようなそのような測定で、観察されますが、3,4 多分最も興味深い nanomechanical 測定は nano スケールに機械動作イントリンシックに焦点を合わせるそれらです: 表面間の相互作用と関連付けられる力は小規模でバルク変形と関連付けられるそれらと対等になり、5 本質的な材料およびシステム長さのスケールが近づかれると同時にそのような力は量子化されるようになります。 問題になったここに小規模現象の測定を行っています。

国立標準技術研究所Nanomechanical の特性のグループは先生の指揮を受けるロバート F. Cook、測定 nanomechanical アプリケーションの材料の使用を可能にするために技術および標準を開発します。 発達する nanomechanical 測定のツールの多数は基づいて接触プローブあります: 原子力の顕微鏡が (AFM)か取り付けられた刻み目のテスト (IIT、か 「nanoindentation」) プラットホームは nano スケールの精密の物質的な表面のそのようなプローブそして測定の機械特性を処理するのに使用されています (図 1) を見て下さい。 無接触ビームベースのツールは nano スケールの圧力のマップのために (CRM)使用されるラマン共焦点の顕微鏡検査および電子後方散乱の回折 (EBSD) を含んでいます。

物質的な特性および測定構成の変化を用いる支配的な刻み目の接触モードを説明する図 1. マップ: 増加する物質的な収穫の抵抗かテスト測定の時間はプラスチック主導の応答の原因となります; 増加する粘性流の抵抗かプローブの圧子の鋭利さ (「鋭さ」粘性主導の応答の) は原因となります。 多くの材料の nano スケールの接触の応答は粘性伸縮性があプラスチック動作を表わすマップの中心にあります。 参考 1 を詳細については見て下さい。

最も小さい長さのスケールで≈の付着に対する湿気の効果を測定するのに、≈の AFM のプローブが 10 の nm の半径 1 つの nm の半径の接触使用されています。6 分析は付着の作業がプローブおよび表面の伸縮性がある変形からの貢献、プローブ間の van der Waals の相互作用および表面を含んでいる、およびプローブ表面の接触を囲む毛管水メニスカスことを示します。

超高真空の同じスケールで (UHV)金の表面の小さい分子か自己組み立てられた単一層によって形作られる金属絶縁体金属のトンネルの接続点の特性を測定するのに7、行なプローブ AFM が8 使用されています。 そのような接続点の機械および電気特性は強くつながれ、電気トンネルを掘る障壁の特性は nanonewton スケールの接触力の機能です。 これらの測定はナノメータースケールの接触が使用される nanoelectromechanical システムのデザインそして操作に重大です。

わずかに大規模で、 20 nm から 40 の nm AFM のプローブおよび 2 nm よくより 10 nm の空間分解能の弾性率を測定し、マップするのにから 3 つの nm の接触を使用して、接触共鳴 AFM (CR-AFM) 技術が使用されています。 nano 結晶の金、結晶粒度の≈9 70 nm の CR-AFM のマップは、穀物、頻繁に係数でより小さい 2 の要因より対応粒界の重要な伸縮性がある異種をかなり示します (図 2) を見て下さい。

対応粒界を説明する nanocrystalline の金の弾性率の図 2. マップ。 この効果はそのような材料が macrogranular 同等に関連して穀物境界材料の大いにより大きい割合を含んでいるので、 nanogranular 材料の伸縮性がある特性の決定で重大です。 参考 9 を詳細については見て下さい。

逆に、 ZnO および Te の nanowires3 の CR-AFM の4 測定は (NWs)半径との NWs のためにショーの重要な係数の増加、バルク 2 の要因非常により、≈ 50 nm よりより少し、非常に強い表面の影響を表した評価します。 そのような測定は nanomaterials の応答の予言がサイズ制御によって nanomaterial の特性を調整するための可能性に重点を置き、開くことを可能にします。

最も大きい AFM のスケールで、 12 の µm のコロイドプローブおよび 20 の nm の接触を使用して、付着の測定はマイクロスケールの接触で毛管メニスカス力の優勢、および相対湿度の力の不変性を明らかにします。10 UHV の同じような測定はケイ素のような名目上壊れやすい材料のための接触のひびと、関連付けられる重要な延性を示します。11 これらのような測定は nano スケールに本質的な機械現象を明らかにし、この場合摩擦または stiction の効果によって障害に対して microelectromechanical 装置の設計で重大です。

非常に小さい長さのスケールで、金属の可塑性は収穫が個々の転位の核形成か伝搬と関連付けられると同時に量子化されるようになります。 大きい含まれた角度のダイヤモンドのプローブを使用して IIT の測定が≈ 10 nm (≈ 30 の nm の刻み目の半径) の刻み目の深さの単結晶の収穫の手始めを測定するのに使用されています。12 プローブの厳密な形の AFM の測定と結合されて、理想的水晶のせん断の降伏応力は断固としたです。

そのような激しいプローブが非常に小さい刻み目のひびを生成できるので小さい含まれた角度のプローブとの IIT の測定が壊れやすい材料の nano スケールの靭性を測定するのに使用されています。 nanoporous 薄膜の誘電材料の激しい刻み目のひびの長さの測定は靭性が 300 nm 小さいひびのために不変であることを示します。13 ロード材料の降伏応力そして靭性の場所の基本的な限界は抗できこれらの測定は金属および誘電体が nano スケールで行き渡って使用されるマイクロエレクトロニック装置の信頼性のために重大です。

無接触 CRM および EBSD の技術がロードされたコンポーネントの圧力の分布をマップするのに使用されています: ≈ 70 nm ピクセルサイズの CRM のマップは≈ 10 MPa の圧力の解像度がケイ素の欠陥で応力集中の直接測定を可能にするよりよくし、 (図 3) を見て下さい。2,14 ラマンシグナルのための異なったレーザーの刺激波長の選択は 50 nm からの 1.5 の µm の表面下への異なった深さの精査を可能にします。

≈ 10 nm の空間分解能の EBSD のマップは対等な圧力の解像度および補足の 30 nm によって表面集中させる精査を提供します。 2 つの技術間の Si ショーの一致のモデルウェッジの刻み目の測定は情報深さをです対等提供しました。2 Nano スケールの圧力のマップは nanomechanical 装置の物質的な nanomechanical 特性とパフォーマンス間の接続の直接確認を可能にするので多分成長する最もエキサイティングな nanomechanical 測定技術です。

図 3. ケイ素の 20 の µm の長いウェッジの刻み目の圧力のマップ: 赤は圧縮圧力、青い抗張圧力の領域を明記します。 複雑な圧力フィールドの知識は microelectromechanical システム機器の信頼性を定めるために重大です。 参考 2 を詳細については見て下さい。

、多数と共にの上で、論議される測定他、ポイント材料の nanomechanical アプリケーションのための活気に満ちた、エキサイティングな時間に一緒に取られる。 新しい現象は物理学、化学および機械度量衡学の前進の原因となる nano スケールで検出されています。 これらの前進は次々と新しい nanomechanical 測定のツールの開発を可能にしています。

規則的に動作の数百万原子のシミュレーションを可能にする計算力の前進と協力してそれ以上のシミュレーションの予言する能力を精製する、そのような測定のツールに今精密および空間分解能がありま消費者および工業製品両方のためのナノテクノロジーの商業化を促進します。


参照

1. 「nanoindentation データの分析のための実用的なガイド」、 M.L. Oyen および R.F. Cook、 J. Mech。 動作の Biomedical のマット。、 2 (2009 年) 396-407。
2. 「電子分散させた回折およびラマン共焦点の顕微鏡検査を使用して緊張そして圧力の Nanoscale の測定の比較」、 M.D. Vaudin、 Y.B. Gerbig、 S.J. Stranick、および R.F. Cook、 Appl。 Phys。 文字 93 (2008 年) 193116。
3. 「ZnO Nanowires の直径依存した放射状および接した弾性率」、 G. Stan、 C.V. Ciobanu、 P.M. Parthangal、および R.F. Cook の Nano 文字 7 (2007 年) 3691-3697
4. 「Te の nanowires の弾性率に対する表面の近さの効果」、 G. Stan、 S. Krylyuk、 A. Davydov、 M. Vaudin、および R.F. Cook、 Appl。 Phys。 文字 92 (2008 年) 241908。
5. 分子間および地表部隊、第 2 版、 J. Israelachvili の Elsevier の学術出版物、ロンドン (1991 年)。
6. 「湿気のある空気の付着の起源」、 D。 - I。金、 J. Grobelny、 N. Pradeep、および R.F. Cook、 Langmuir 24 (2008 年) 1873-1877。
7. 「金属絶縁体金属の Nano スケールの接触の機械および電気カップリング、 「D。 - I。金、 N. Pradeep、 F.W. DelRio、および R.F. Cook、 Appl。 Phys。 文字 93 (2008 年) 203102。
8. 「金属分子金属の接続点のゴム、接着剤および料金の輸送特性: 分子オリエンテーションの役割、順序および適用範囲」、 F.W. DelRio、 K.L. Steffens、 C. Jaye、 D.A. Fischer、および R.F. Cook、 Langmuir (2009 年の) DOI: 10.1021/la902653n.
9. 「粒状の Au のフィルムの伸縮性がある特性を」、 G. Stan および R.F. Cook 接触共鳴原子力の顕微鏡検査によってマップしますのナノテクノロジー 19 (2008 年) 235701。
10. 「付着力の測定のメニスカスの効果の定量化」、 J. Grobelny、 N. Pradeep、 D。 - I。金、および Z.C. Ying、 Appl。 Phys。 文字 88 (2006 年) 091906。
11. 「nanoscale の延性: 原子力の顕微鏡検査を使用して接着剤の接触の変形そしてひび」、 N. Pradeep、 D。 - I。金、 J. Grobelny、 T. Hawa、 B. Henz、および M.R. Zachariah、 Appl。 Phys。 文字 91 (2007 年) 203114。
12. 「最初のプラスチック収穫の性格描写のヘルツ仮定の有限な要素分析そして実験調査」、 L. Ma、 D.J. Morris、 S.L. Jennerjohn、 D.F. Bahr、および L. Levine、 J. Mater。 Res. 24 (2009 年) 1059-1068。
13. 「低誘電体の一定したフィルム、部分 I. Experiments および観察」、の D.J. Morris および R.F. Cook、 J. Mater の刻み目ひび。 Res. 23 (2008 年) 2429-2442; 「部 II. 刻み目ひび機械工モデル」、の D.J. Morris および R.F. Cook、 J. Mater。 Res. 23 (2008 年) 2443-2457。
14. 「ケイ素の刻み目の間の段階の変形に対する結晶学のオリエンテーションの効果、 「Y.B Gerbig、 S.J. Stranick、 D.J. Morris、 M.D. Vaudin、および R.F. Cook、 J. Mater。 Res.、 24 (2009 年) 1172-1183。

、版権 AZoNano.com ロバート Cook (NIST) 先生

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

Last Update: 13. June 2013 23:20

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