Nanomechanical 측정과 공구

로버트 F. CookNanomechanical 속성 단, 국립 표준 기술국 (NIST) 박사
대응 저자: robert.cook@nist.gov

나노 과학은 응용이 거대한 질 의 생활 및 경제 이득을 향상된 장치의 발달 중대한 기회를, 생물 의학 이식할 수 있는 액추에이터에서 환경 독소 검출기 하구조 먼 센서에에 구역 수색하는 상태에서 제공합니다. 이 응용을 가능하게 하는 것은 물자의 nano 가늠자 기계적 성질이 수시로 그들의 부피 또는 거시 카운터파트의 그들에서 근본적으로 다르다 는 사실입니다.

그러므로, 이 장치의 상업적인 혁신 그리고 제조를 위한 중요한 필수품은 개악과 긴장의, 양이 많은 세부사항에서 그리고 나노미터 공간적 해상도를 가진 물자의 고무줄, 플라스틱, 점성의,1 및 골절 속성, 및 현지 국가를 결정하는2 nanomechanical 측정의 평행한 발달 입니다. Nanomechanical 측정 연구는 기계공, 물리학 및 화학의 교회법에 활발한 전문 분야 협력 필드입니다: 새로운 nanomechanical 측정에는 nano 가늠자에 뿐만 아니라 기본적인 현상을 제시하고 또한 나노 과학에 있는 직접 응용이 있습니다.

많은 nanomechanical 측정은 거시적인 아날로그 (탄성 계수, 항복 응력, 또는 골절 강인성의 예를들면, 측정)가 있는 구조물 또는 물자 에는의 기계적 성질에 집중합니다. 논쟁 중 여기에서 작은 길이 가늠자에 측정을 실행하고 있습니다. 음모를 꾸미는 새로운 현상은 작 반경 nanowires의 증가시킨 탄성 계수와 같은 그 같은 측정에서 관찰됩니다 그러나3,4 아마 가장 흥미로운 nanomechanical 측정은 nano 가늠자에 기계적인 행동 내인성에 집중된 그들입니다: 표면 사이 상호 작용과 관련되었던 군대는 소규모에 대량 개악과 관련되었던 그들에 대등하게 되고5 본질적인 물자와 시스템 길이 가늠자가 접근되는 때 그 같은 군대는 양자화에 됩니다. 논쟁 중 여기에서 소규모 현상의 측정을 실행하고 있습니다.

국립 표준 기술국Nanomechanical 속성 단은, 박사의 지도력하에 로버트 F. Cook, 측정 기술과 nanomechanical 응용에 있는 물자의 사용을 가능하게 하기 위하여 기준을 개발합니다. 발육된 nanomechanical 측정 공구의 많은 것은 기지를 둔 접촉 탐사기 입니다: 원자 군대 현미경 (AFM) 또는 기기를 장치된 압흔 테스트 (IIT, 또는 "nanoindentation") 플래트홈은 nano 가늠자 정밀도를 가진 물자 표면의 그 같은 탐사기 그리고 측정 기계적 성질을 조작하기 위하여 사용됩니다 (숫자 1)를 보십시오. 몸의 접촉이 없는 光速 기지를 둔 공구는 nano 가늠자 긴장 지도로 나타내기를 위해 (CRM) 사용된 라만 confocal 현미경 검사법 및 전자 후방산란 회절 (EBSD)를 포함합니다.

물자 속성과 측정 윤곽에 있는 변이를 가진 지배적인 압흔 접촉형을 설명하는 숫자 1. 지도: 증가 물자 수확량 저항 또는 시험 측정 시간은 플라스틱 지배한 반응으로 이끌어 냅니다; 증가 점성 교류 저항 또는 탐사기 indenter 예민 ("날카로움" 점성 지배한 반응으로)는 이끌어 냅니다. 많은 물자의 nano 가늠자 접촉 반응은 점성 탄력 있 플라스틱 행동을 과시하는 지도의 센터에 있습니다. 참고 1을 추가 세부사항을 위해 보십시오.

가장 작은 길이 가늠자에, ≈의 AFM 탐사기는 10 nm 반경 1개 nm 반경 접촉 ≈의 접착에 대한 습도의 효력을 측정하기 위하여 이용됩니다.6 분석은 접착의 일이 탐사기 및 표면의 탄력 있는 개악에서 기여금, 탐사기 사이 van der Waals 상호 작용 및 표면을 포함한다는 것을, 및 탐사기 표면 접촉을 포위하는 모세관 근해 초승달 모양 보여줍니다.

극초단파 진공에 있는 동일 가늠자에 (UHV), 수행하 탐사기 AFM는 금 표면에 작은 분자 또는 각자 소집된 단층에 의해 형성된 금속 절연체 금속 갱도7 접속점의8 속성을 측정하기 위하여 이용됩니다. 그 같은 접속점의 기계 및 전기 속성은 강하게 결합되고 전기 터널을 파 방벽 속성은 nanonewton 가늠자 접촉 군대의 기능입니다. 이 측정은 나노미터 가늠자 접촉이 이용되는 nanoelectromechanical 시스템의 디자인 그리고 작동에 중대합니다.

경미하게 대규모에, 20 nm에서 40 nm AFM 탐사기 및 2 nm에서 3개 nm 접촉을 사용하여, 접촉 공명 AFM (CR-AFM) 기술은 10 더 낫게 nm 공간적 해상도를 가진 탄성 계수를 측정하고 지도로 나타내기 위하여 이용됩니다. nano 크리스탈 금, 입자 크기 ≈9 70 nm의 CR-AFM 지도는, 곡물, 수시로 계수에서 더 작은 2의 요인 보다는 더 호환된 결정 입자 경계를 가진 중요한 탄력 있는 이질성을 상당히 보여줍니다 (숫자 2)를 보십시오.

호환된 결정 입자 경계를 설명하는 nanocrystalline 금의 탄성 계수의 숫자 2. 지도. 이 효력은 그 같은 물자가 그들의 macrogranular 카운터파트에 관련된 곡물 경계 물자의 매우 더 중대한 비율을 포함하기 때문에, nanogranular 물자의 탄력 있는 속성 결정에서 중요합니다. 참고 9를 추가 세부사항을 위해 보십시오.

반대로, ZnO와 Te nanowires3 에 CR-AFM4 측정은 (NWs) 반경을 가진 NWs를 위해 쇼 중요한 계수 증가, 대량 2의 요인 더 중대하게, ≈ 50 nm 보다는 더 적은, 극단적으로 강한 표면 영향을 표시하는 평가합니다. 그 같은 측정은 nanomaterials의 반응의 예측을 규모 통제를 통해 nanomaterial 속성 조정을 위한 가능성을 압박하고 여는 가능하게 합니다.

가장 큰 AFM 가늠자에, 12의 µm 콜로이드 탐사기 및 20 nm 접촉을 사용하여, 접착 측정은 마이크로 눈금 접촉에 모세관 초승달 모양 군대의 우성, 및 상대 습도를 가진 군대 불변성을 제시합니다.10 UHV에 있는 유사한 측정은 실리콘과 같은 명목상으로 과민한 물자를 위한 조차 접촉 골절과, 관련되었던 중요한 연성을 보여줍니다.11 이들과 같은 측정은 nano 가늠자에 본질 기계 현상을 제시하고 이 경우에는 마찰 또는 stiction 효력에 의하여 실패에 대하여 microelectromechanical 장치 디자인에서 중요합니다.

아주 작은 길이 가늠자에, 금속 가소성은 수확량이 개별적인 탈구의 핵형성 또는 번식과 연관되는 때 양자화에 됩니다. 큰 포함되는 각을 가진 다이아몬드 탐사기를 사용하여 IIT 측정은 ≈ 10 nm (≈ 30 nm 압흔 반경)의 압흔 깊이를 가진 단결정에 있는 수확량의 개시를 측정하기 위하여 이용됩니다.12 탐사기의 정확한 모양의 AFM 측정과 결합해, 이상 결정 가위 항복 응력은 결의가 굳습니다.

작은 포함되는 각의 탐사기를 가진 IIT 측정은 그 같은 심각한 탐사기가 아주 작은 압흔 균열을 생성하기 수 있기 때문에, 과민한 물자의 nano 가늠자 강인성을 측정하기 위하여 이용됩니다. nanoporous 박막 절연성 물자의 심각한 압흔 균열 길이 측정은 강인성이 300 nm 만큼 작은 균열을 위해 불변 이다는 것을 보여줍니다.13 짐 물자에 항복 응력 그리고 강인성 장소 기본적인 한계는 저항할 수 있고, 이 측정은 금속과 유전체들이 nano 가늠자에 퍼지 이용되는 마이크로 전자 공학 장치의 신뢰도를 위해 중요합니다.

몸의 접촉이 없는 CRM와 EBSD 기술은 적재된 분대에 있는 긴장 배급을 지도로 나타내기 위하여 이용됩니다: ≈ 70 nm 화소 규모를 가진 CRM 지도는 ≈ 10 MPa 긴장 해결책이 실리콘에 있는 결점에 응력 집중의 직접 측정을 허용하다 보다는 나아지고 (숫자 3)를 보십시오.2,14 라만 신호를 위한 다른 레이저 흥분 파장의 선택은 50 nm에서 1.5 µm 지대해에 다른 깊이에 시험을 허용합니다.

≈ 10 nm 공간적 해상도를 가진 EBSD 지도는 대등한 긴장 해결책 및 무료한 30 nm에 의하여 표면 지방화된 시험을 제공합니다. 2개의 기술 사이 Si 쇼 계약에 있는 모형 쐐기(wedge) 압흔에 측정은 정보 깊이를 대등합니다 제공했습니다.2 Nano 가늠자 긴장 지도로 나타내는 것은 nanomechanical 장치의 물자 nanomechanical 속성과 성과 사이 연결의 직접 검증을 가능하게 하기 때문에, 아마 발전되는 가장 활발한 nanomechanical 측정 기술 입니다.

숫자 3. 실리콘에 있는 20의 µm 긴 쐐기(wedge) 압흔의 긴장 지도: 공산분자는 압축 긴장, 파란 인장 응력의 지구를 표시합니다. 복잡한 긴장 필드의 지식은 microelectromechanical 시스템 장치의 신뢰도 결정을 위해 중요합니다. 참고 2를 추가 세부사항을 위해 보십시오.

, 많은 것과 더불어의 위, 토론되는 측정 그 외, 점 물자의 nanomechanical 응용을 위한 진동하고는 활발한 시간에 함께 취하는. 새로운 현상은 물리학, 화학 및 기계적인 도량형학에 있는 어드밴스로 이끌어 내는 nano 가늠자에 발견되고 있습니다. 이 어드밴스는 차례차례로 새로운 nanomechanical 측정 공구의 발달을 가능하게 하고 있습니다.

정규로 행동의 다중 백만 원자 시뮬레이션을 가능하게 하는 컴퓨터 힘에 있는 어드밴스와 협력하여, 그 같은 측정 공구에는 지금 추가 시뮬레이션의 예언하는 능력을 세련하는 정밀도 및 공간적 해상도가 있어 소비자와 산업용품 둘 다를 위한 나노 과학의 상품화를 속력을 내.


참고

1. "nanoindentation 데이터의 분석을 위한 실제적인 가이드," M.L. Oyen와 R.F. Cook, J. Mech. 행동 Biomedical 매트., 2 (2009년) 396-407.
2. "전자 후에 뿌려진 회절 및 라만 Confocal 현미경 검사법을 사용하는 긴장 그리고 긴장의 Nanoscale 측정의 비교," M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, 및 R.F. Cook, Appl. Phys. 편지 93 (2008년) 193116.
3. "ZnO Nanowires의 직경 의존하는 광선과 접선 탄성 계수," G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, 및 R.F. Cook 의 Nano 편지 7 (2007년) 3691-3697
4. "Te nanowires의 탄성 계수에 대한 지상 근접의 효력," G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, 및 R.F. Cook, Appl. Phys. 편지 92 (2008년) 241908.
5. 분자 사이와 해상부대, 제 2 판, J. Israelachvili 의 Elsevier 학업 부담, 런던 (1991년).
6. "습한 공기에 있는 접착의 기점," D. - I. 김, J. Grobelny, N. Pradeep, 및 R.F. Cook, Langmuir 24 (2008년) 1873-1877년.
7. "금속 절연체 금속 Nano 가늠자 접촉에 기계 및 전기 연결, "D. - I. 김, N. Pradeep, F.W. DelRio, 및 R.F. Cook, Appl. Phys. 편지 93 (2008년) 203102.
8. "금속 분자 금속 접속점의 고무줄, 접착제 및 책임 이동 성질: 분자 오리엔테이션의 역할, 명령 및 엄호," F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer, 및 R.F. Cook, Langmuir (2009년) DOI: 10.1021/la902653n.
9. "입자식 Au 필름의 탄력 있는 속성을," G. Stan와 R.F. Cook 접촉 공명 원자 군대 현미경 검사법에 의하여 지도로 나타내기 의 나노 과학 19 (2008년) 235701.
10. "접착 군대 측정에 있는 초승달 모양 효력의 정량화," J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. 김, 및 Z.C. Ying, Appl. Phys. 편지 88 (2006년) 091906.
11. "nanoscale에 연성: 원자 군대 현미경 검사법을 사용하는 접착제 접촉의 개악 그리고 골절," N. Pradeep, D. - I. 김, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz, 및 M.R. Zachariah, Appl. Phys. 편지 91 (2007년) 203114.
12. "처음 플라스틱 수확량의 특성에 헤르츠 가정의 유한 성분 분석 그리고 실험적인 수사," L. Ma, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr, 및 L. Levine, J. Mater. Res. 24 (2009년) 1059-1068년.
13. "낮 유전체 일정한 필름, 부분 I. Experiments 및 관측," D.J. Morris 및 R.F. Cook, J. Mater의 압흔 골절. Res. 23 (2008년) 2429-2442; "부 II. 압흔 골절 기계공 모형," D.J. Morris와 R.F. Cook, J. Mater. Res. 23 (2008년) 2443-2457.
14. "실리콘의 압흔 도중 단계 전이에 대한 결정학 오리엔테이션의 효력, "Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin, 및 R.F. Cook, J. Mater. Res., 24 (2009년) 1172-1183년.

, 저작권 AZoNano.com 로버트 Cook (NIST) 박사

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

Last Update: 13. June 2013 23:23

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