De Metingen en de Hulpmiddelen van Nanomechanical

De Groep van de Eigenschappen Robert F. Cook, Nanomechanical van Dr., Nationaal Instituut van Normen en Technologie (NIST)
Overeenkomstige auteur: robert.cook@nist.gov

De Nanotechnologie biedt grote mogelijkheden voor de ontwikkeling van geavanceerde apparaten met het enorme kwaliteit-van-leven en economische voordelen, met toepassingen die zich van biomedische inplanteerbare actuators aan milieutoxinedetectors aan infrastructurele verre sensoren uitstrekken. Het Toelaten van deze toepassingen is het feit dat de nano-schaal mechanische eigenschappen van materialen vaak radicaal verschillend van die van hun massa of macroschaaltegenhangers zijn.

Vandaar, is een kritieke eis ten aanzien van de commerciële innovatie en de productie van deze apparaten de parallelle ontwikkeling van nanomechanical metingen om elastische, plastic, de kleverige, en breukeigenschappen van materialen, en1 lokale staten van misvorming en spanning, in2 kwantitatief detail en met nanometer ruimteresolutie te bepalen. Het de metingenonderzoek van Nanomechanical is een opwindend multidisciplinair gebied bij de kruising van werktuigkundigen, fysica, en chemie: De Nieuwe nanomechanical metingen niet alleen openbaren fundamentele fenomenen bij de nano-schaal maar ook hebben directe toepassing in nanotechnologie.

Vele nanomechanical metingen concentreren zich op mechanische eigenschappen van materialen of structuren die macroscopische analogons hebben (b.v., de meting van elastische modulus, opbrengstspanning, of breukhardheid). Ter discussie voert hier metingen bij kleine lengteschalen uit. De Intrigerende nieuwe fenomenen worden waargenomen in dergelijke metingen, zoals verhoogde elastische modulussen van klein-stralen nanowires, maar3,4 misschien zijn de interessantste nanomechanical metingen die geconcentreerd op mechanisch gedrag intrinsiek aan de nano-schaal: De Krachten verbonden aan interactie tussen oppervlakten worden vergelijkbaar met die verbonden aan bulkmisvorming bij kleine schalen en die5 dergelijke krachten worden als intrinsiek materiaal worden gekwantiseerd en de schalen van de systeemlengte zijn genaderd. Ter discussie voert hier metingen van kleinschalige fenomenen uit.

De Groep van Eigenschappen Nanomechanical bij het Nationale Instituut van Normen en Technologie, onder de leiding van Dr. Robert F. Cook, ontwikkelt metingstechnieken en normen om het gebruik van materialen in nanomechanical toepassingen toe te laten. Veel van de nanomechanical ontwikkelde metingshulpmiddelen zijn gebaseerde contact-sonde: De Atoom krachtmicroscoop (AFM) of de van instrumenten voorzien inkeping het testen (IIT, of „nanoindentation“) worden platforms gebruikt om dergelijke sondes te manipuleren en mechanische eigenschappen van materiële oppervlakten met nano-schaalprecisie (zie Figuur 1) te meten. De Niet op straal-gebaseerde die hulpmiddelen omvatten confocal microscopie Raman (CRM) en elektronenbackscatter diffractie (EBSD), voor de afbeelding van de nano-schaalspanning wordt gebruikt.

Figuur 1. Kaart die de dominante wijzen van het inkepingscontact met variaties in materiële eigenschappen en metingsconfiguraties illustreren: De Stijgende materiële opbrengstweerstand of van de testmeting tijd leidt tot plastic-overheerste reacties; de de stijgende kleverige stroomweerstand of sondeindenter scherpte („scherpte“) leiden tot kleverig-overheerste reacties. De reacties van het nano-schaalcontact van vele materialen zijn in het centrum die van de kaart, kleverig-elastisch-plastic gedrag tentoonstellen. Zie Ref. 1 voor meer details.

Bij de kleinste lengteschalen, worden de sondes AFM van ≈ 10 NMstraal gebruikt om de gevolgen te meten van vochtigheid voor de adhesie van ≈ de contacten van 1 NMstraal.6 De Analyses tonen aan dat het werk van adhesie bijdragen van elastische misvorming van de sonde en de oppervlakte, van der Waals interactie tussen de sonde en de oppervlakte, en de capillaire watermeniscus omvat die het sonde-oppervlakte contact omringen.

Bij de zelfde schaal in ultrahoog vacuüm (UHV), wordt de leiden-sonde AFM gebruikt die de eigenschappen van metaal-isolatie-metaal tunnelverbindingen te meten door kleine molecules of7 zelf-geassembleerde monolayers op8 gouden oppervlakten worden gevormd. De mechanische en elektrische eigenschappen van dergelijke verbindingen worden sterk gekoppeld en de elektrische een tunnel gravende barrièreeigenschappen zijn een functie van de krachten van het nanonewton-schaalcontact. Deze metingen zijn kritiek aan het ontwerp en de verrichting van nanoelectromechanical systemen, waarin de nanometer-schaal contacten worden gebruikt.

Bij lichtjes grotere schalen, die 20 NM aan 40 NMAFM sondes en 2 NM gebruiken aan 3 NMcontacten worden de technieken, van de contactresonantie AFM (Cr-AFM) gebruikt om elastische modulussen met te meten en in kaart te brengen dan 10 NM beter ruimteresolutie. Cr-AFM de kaarten van nano-kristallijn goud, 9 korrelgrootte ≈ 70 NM, tonen significant elastisch niet-homogeen karakter met korrelgrenzen aanzienlijk volgzamer dan de korrels, vaak een factor van twee kleiner in modulus (zie Figuur 2).

Figuur 2. Kaart van de elastische modulus die van nanocrystallinegoud de volgzame korrelgrenzen illustreren. Dit effect is kritiek in het bepalen van de elastische eigenschappen van nanogranular materialen, aangezien dergelijke materialen veel grotere aandelen van korrel-grens materiaal met betrekking tot hun macrogranular tegenhangers bevatten. Zie Ref. 9 voor meer details.

Omgekeerd, tonen de metingen Cr-AFM op3 ZnO en4 Te (NWs) nanowires significante modulusverhogingen, een factor van twee groter dan bulkwaarden, minder dan voor NWs met stralen ≈ 50 NM, indicatief van uiterst sterke oppervlakteinvloeden. Dergelijke metingen laten voorspellingen van de reacties van nanomaterials toe om de mogelijkheid te beklemtonen en te openen om nanomaterial eigenschappen door groottecontrole te stemmen.

Bij de grootste schaal AFM die, 12 colloïdale sondes µm en 20 NMcontacten gebruiken, openbaren de adhesiemetingen de overheersing van de capillaire meniscuskracht bij micro-schaalcontacten, en krachtonveranderlijkheid met relatieve vochtigheid.10 De Gelijkaardige metingen in UHV tonen significante rekbaarheid verbonden aan contactbreuken, zelfs voor nominaal brosse materialen zoals silicium.11 De Metingen zoals deze openbaren mechanische fenomenen intrinsiek aan de nano-schaal, en in dit geval zijn kritiek in het ontwerpen van microelectromechanical apparaten tegen mislukking door wrijving of stictiongevolgen.

Bij zeer kleine lengteschalen die, wordt de metaalplasticiteit als opbrengst wordt gekwantiseerd wordt geassocieerd met nucleation of de propagatie van individuele dislocaties. De metingen IIT die diamantsondes met worden grote inbegrepen hoek gebruiken gebruikt om het begin van opbrengst in enige kristallen met inkepingsdiepten van ≈ te meten 10 NM (≈ de straal van de 30 NMinkeping).12 Gecombineerd met metingen AFM van de nauwkeurige vorm van de sonde, wordt de de opbrengstspanning van de ideaal-kristalscheerbeurt bepaald.

De metingen IIT met sondes van kleine inbegrepen hoek worden gebruikt om de nano-schaalhardheid van brosse materialen te meten, aangezien dergelijke scherpe sondes zeer kleine inkepingsbarsten kunnen produceren. De Scherpe de lengtemetingen van de inkepingsbarst van nanoporous dunne film diëlektrische materialen tonen aan dat de hardheid voor barsten zo klein zoals 300 NM onveranderlijk is.13 De spanning van de Opbrengst en hardheids kunnen de plaats fundamentele grenzen op de ladingenmaterialen weerstaan, en deze metingen zijn kritiek voor betrouwbaarheid van micro-electronische apparaten, waarin de metalen en de diëlektrica pervasively bij de nano-schaal worden gebruikt.

De technieken CRM worden en EBSD van het niet-Contact gebruikt om spanningsdistributies in geladen componenten in kaart te brengen: De kaarten van CRM met ≈ de grootte van het 70 NMpixel en beter dan MPa ≈ 10 spanningsresolutie staan directe meting van spanningsconcentraties bij tekorten in silicium (zie Figuur 3) toe.2,14 De Selectie van de verschillende golflengten van de laseropwinding voor het signaal Raman staat voor het sonderen toe bij verschillende diepten van 50 NM aan subsurface 1.5 µm.

De kaarten EBSD met ≈ 10 NM ruimteresolutie verstrekken vergelijkbare spanningsresolutie en bijkomende 30 NM hetgelokaliseerde sonderen. De Metingen op een modelwiginkeping in Si tonen overeenkomst tussen de twee technieken op voorwaarde dat de informatiediepten vergelijkbaar zijn.2 De de spanningsafbeelding van de nano-Schaal is misschien de opwindendste nanomechanical metingstechniek die worden ontwikkeld, aangezien het directe controle van de aansluting tussen materiële nanomechanical eigenschappen en de prestaties van nanomechanical apparaten toelaat.

Figuur 3. De kaart van de Spanning van een 20 µm lange wiginkeping in silicium: Het Rood wijst op gebieden van samenpersende spanning, blauwe trekspanning. De Kennis van het ingewikkelde spanningsveld is kritiek voor het bepalen van de betrouwbaarheid van microelectromechanical systemenapparaten. Zie Ref. 2 voor meer details.

Samen Genomen die, de metingen hierboven worden besproken, samen met vele anderen, punt aan een trillende en opwindende tijd voor nanomechanical toepassingen van materialen. De Nieuwe fenomenen worden ontdekt bij de nano-schaal, die tot vooruitgang in fysica, chemie, en mechanische metrologie leiden. Deze vooruitgang beurtelings laat de ontwikkeling van nieuwe nanomechanical metingshulpmiddelen toe.

In overleg met vooruitgang in computermacht, die regelmatig multi-million atoomsimulaties van gedrag toelaat, dergelijke metingshulpmiddelen nu de precisie en de ruimteresolutie hebben om de vooruitlopende capaciteiten van simulaties te raffineren, verder verzendend de introductie op de markt van nanotechnologie voor zowel consument als industrieproducten.


Verwijzingen

1. Een „praktische gids voor analyse van nanoindentationgegevens,“ M.L. Oyen en R.F. Cook, J. Mech. De Biomedische Mat van het Gedrag., 2 (2009) 396-407.
2. De „Vergelijking van Metingen Nanoscale van Spanning en Spanning die Elektron gebruiken Verspreidde Terug Diffractie en Confocal Microscopie Raman,“ M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, en R.F. Cook, Appl. Phys. Brieven 93 (2008) 193116.
3. „Diameter-Afhankelijke Radiale en Divergerende Elastische Modulussen van ZnO Nanowires,“ G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, en R.F. Cook, Nano Brieven 7 (2007) 3691-3697
4. „Effect van oppervlaktenabijheid op de elastische modulus van Te nanowires,“ G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, en R.F. Cook, Appl. Phys. Brieven 92 (2008) 241908.
5. De Intermoleculaire en Krachten van de Oppervlakte, 2de Uitgave, J. Israelachvili, Elsevier Academische Pers, Londen (1991).
6. „Oorsprong van Adhesie in Vochtige Lucht,“ D. - I. Kim, J. Grobelny, N. Pradeep, en R.F. Cook, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. „Mechanische en ElektroKoppeling bij metaal-isolatie-Metaal de Contacten van de nano-Schaal, „D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio, en R.F. Cook, Appl. Phys. Brieven 93 (2008) 203102.
8. „Elastiek, kleefstof, en de eigenschappen van het lastenvervoer van een metaal-molecule-metaal verbinding: de rol van moleculaire richtlijn, orde, en dekking,“ F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer, en R.F. Cook, Langmuir (2009) DOI: 10.1021/la902653n.
9. „In Kaart Brengend de elastische eigenschappen van de korrelige films van Au door de atoom de krachtmicroscopie van de contactresonantie,“ G. Stan en R.F. Cook, Nanotechnologie 19 (2008) 235701.
10. „Getalsmatige Weergave van het meniscuseffect in de metingen van de adhesiekracht,“ J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. Kim, en Z.C. Ying, Appl. Phys. Brieven 88 (2006) 091906.
11. „Rekbaarheid bij nanoscale: Misvorming en breuk van zelfklevende contacten die de atoomkrachtmicroscopie gebruiken,“ N. Pradeep, D. - I. Kim, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz, en M.R. Zachariah, Appl. Phys. Brieven 91 (2007) 203114.
12. „Eindige elementenanalyse en experimenteel onderzoek van de Draadloze veronderstelling op de karakterisering van aanvankelijke plastic opbrengst,“ L. Ma, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr, en L. Levine, J. Mater. Onderzoek. 24 (2009) 1059-1068.
13. De „breuk van de Inkeping van laag-diëlektrische constante films, Part I. Experiments en observaties,“ D.J. Morris en R.F. Cook, J. Mater. Onderzoek. 23 (2008) 2429-2442; „Deel II. het model van de breukwerktuigkundigen van de Inkeping,“ D.J. Morris en R.F. Cook, J. Mater. Onderzoek. 23 (2008) 2443-2457.
14. „Effect van kristallografische richtlijn op fasetransformaties tijdens inkeping van silicium, „Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin, en R.F. Cook, J. Mater. Onderzoek., 24 (2009) 1172-1183.

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

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

Last Update: 13. June 2013 23:06

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit