Medidas e Ferramentas de Nanomechanical

Dr. Robert F. Cozimento, Grupo das Propriedades de Nanomechanical, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Autor Correspondente: robert.cook@nist.gov

A Nanotecnologia fornece grandes oportunidades para a revelação de dispositivos avançados com a qualidade--vida enorme e os benefícios econômicos, as aplicações que variam dos actuadores implantable biomedicáveis aos detectores ambientais da toxina aos sensores remotos infraestruturais. Permitir estas aplicações é o facto de que as propriedades mecânicas da nano-escala dos materiais são frequentemente radicalmente diferentes daquelas de suas contrapartes do volume ou da macro-escala.

Daqui, uma exigência crítica para a inovação e a fabricação comerciais destes dispositivos é a revelação paralela das medidas nanomechanical para determinar o elástico, o plástico, as propriedades viscosos, e da fractura dos materiais,1 e os estados locais de deformação e de esforço, 2 no detalhe quantitativo e com definição espacial do nanômetro. A pesquisa das medidas de Nanomechanical é um campo multidisciplinar emocionante na intersecção dos mecânicos, da física, e da química: Medidas nanomechanical Novas não somente para revelar fenômenos fundamentais na nano-escala mas igualmente para ter a aplicação directa na nanotecnologia.

Foco nanomechanical de Muitas medidas em propriedades mecânicas dos materiais ou estruturas que têm os analogs macroscópicos (por exemplo, a medida do módulo elástico, do esforço de rendimento, ou da dureza da fractura). Na edição aqui está executando medidas em escalas pequenas do comprimento. Os fenômenos novos Intrigantes são observados em tais medidas, tais como módulos elásticos aumentados de nanowires dos pequeno-raios, mas3,4 talvez as medidas nanomechanical as mais interessantes são aquelas centradas sobre o intrinsic mecânico do comportamento à nano-escala: As Forças associadas com as interacções entre superfícies tornam-se comparáveis àquelas associadas com a deformação maioria em pequenas escalas e5 tais forças tornam-se quantificadas enquanto as escalas intrínsecas do comprimento do material e do sistema são aproximadas. Na edição aqui está executando medidas de fenômenos em escala reduzida.

O Grupo das Propriedades de Nanomechanical no National Institute of Standards and Technology, sob a liderança do Dr. Robert F. Cozimento, desenvolve técnicas de medida e padrões para permitir o uso dos materiais em aplicações nanomechanical. Muitas das ferramentas nanomechanical da medida desenvolvidas são contacto-ponta de prova baseada: O microscópio Atômico da força (AFM) ou as plataformas providas do teste do recorte (IIT, ou o “nanoindentation”) são usados para manipular tais pontas de prova e propriedades mecânicas da medida de superfícies materiais com precisão da nano-escala (veja Figura 1). as ferramentas feixe-baseadas Não-Contacto incluem a microscopia confocal de Raman (CRM) e a difracção do backscatter do elétron (EBSD), usadas para o traço do esforço da nano-escala.

Figura 1. Mapa que ilustra os modos de contacto dominantes do recorte com variações em propriedades materiais e em configurações da medida: A resistência do rendimento ou o tempo material Crescente da medida do teste conduzem às respostas plástico-dominadas; a resistência do fluxo viscoso ou a acuidade crescente do indenter da ponta de prova (“agudeza”) conduzem às respostas viscoso-dominadas. As respostas do contacto da nano-escala de muitos materiais são no centro do mapa, exibindo o comportamento do viscoso-elástico-plástico. Veja a Referência. 1 para mais detalhes.

Nas escalas as menores do comprimento, as pontas de prova do AFM do ≈ 10 raios do nanômetro são usadas para medir os efeitos da umidade na adesão do ≈ contactos de 1 raio do nanômetro.6 As Análises mostram que o trabalho da adesão inclui contribuições da deformação elástica da ponta de prova e da superfície, interacções de camionete der Waals entre a ponta de prova e superfície, e o menisco capilar da água que cerca o contacto da ponta de prova-superfície.

Na mesma escala no vácuo ultra-alto (UHV), a conduzir-ponta de prova AFM é usada para medir as propriedades das junções do túnel do metal-isolador-metal formadas por moléculas pequenas7 ou os monolayers auto-montados8 no ouro surgem. As propriedades mecânicas e elétricas de tais junções são acopladas fortemente e as propriedades elétricas da barreira da escavação de um túnel são uma função das forças do contacto da nanonewton-escala. Estas medidas são críticas ao projecto e à operação dos sistemas nanoelectromechanical, em que os contactos da nanômetro-escala são usados.

Em escalas ligeira maiores, usando 20 nanômetro a 40 pontas de prova do nanômetro AFM e 2 nanômetro a 3 contactos do nanômetro, as técnicas do AFM da ressonância do contacto (CR-AFM) são usadas para medir e traçar os módulos elásticos com definição espacial melhor de 10 nanômetro. Os mapas de CR-AFM do ouro nano-cristalino,9 ≈ 70 nanômetro do tamanho de grão, mostram a heterogeneidade elástica significativa com os limites de grão consideravelmente mais complacentes do que as grões, frequentemente um factor de dois menores no módulo (veja Figura 2).

Figura 2. Mapa do módulo elástico do ouro do nanocrystalline que ilustra os limites de grão complacentes. Este efeito é crítico em determinar as propriedades elásticas de materiais nanogranular, porque tais materiais contêm proporções muito maiores de material do grão-limite relativo a suas contrapartes macrogranular. Veja a Referência. 9 para mais detalhes.

Inversamente, as medidas de CR-AFM aumentos3 significativos do módulo4 da mostra (NWs) nos nanowires de ZnO e de Te, um factor de dois maior do que maiorias avaliam, para NWs com raios menos do que o ≈ 50 nanômetro, indicativo de influências extremamente fortes da superfície. Tais medidas permitem previsões das respostas dos nanomaterials de forçar e abrir a possibilidade para ajustar propriedades do nanomaterial com o controle do tamanho.

Na escala a maior do AFM, usando 12 pontas de prova coloidais do µm e 20 contactos do nanômetro, as medidas da adesão revelam o domínio da força capilar do menisco em contactos da micro-escala, e a invariância da força com humidade relativa.10 As medidas Similares em UHV mostram a ductilidade significativa associada com as fracturas do contacto, mesmo para materiais nominal frágeis tais como o silicone.11 As Medidas tais como estes revelam os fenômenos mecânicos intrínsecos à nano-escala, e são neste caso críticas em projetar dispositivos microelectromechanical contra a falha por efeitos da fricção ou do stiction.

Em escalas muito pequenas do comprimento, a plasticidade do metal torna-se quantificada enquanto o rendimento é associado com a nucleação ou a propagação de deslocações individuais. As medidas de IIT que usam pontas de prova do diamante com grande ângulo incluído são usadas para medir o início do rendimento em únicos cristais com profundidades do recorte do ≈ 10 nanômetro (≈ 30 raios do recorte do nanômetro).12 Combinado com as medidas do AFM da forma exacta da ponta de prova, o esforço de rendimento da tesoura do ideal-cristal é determinado.

As medidas de IIT com pontas de prova do ângulo incluído pequeno são usadas para medir a dureza da nano-escala de materiais frágeis, porque tais pontas de prova agudas podem gerar rachaduras muito pequenas do recorte. As medidas Agudas do comprimento da rachadura do recorte de materiais dieléctricos nanoporous de filme fino mostram que a dureza é invariant para as rachaduras tão pequenas quanto 300 nanômetro.13 O esforço de Rendimento e os limites fundamentais do lugar da dureza nos materiais das cargas podem suportar, e estas medidas são críticas para a confiança dos dispositivos micro-electrónicos, em que os metais e os dieléctricos são usados pervasively na nano-escala.

o Não-Contacto CRM e as técnicas de EBSD são usados para traçar distribuições do esforço em componentes carregados: Os mapas do CRM com tamanho do pixel do ≈ 70 nanômetro e melhoram do que a definição do esforço do MPa do ≈ 10 permite a medida directa de concentrações de esforço em defeitos no silicone (veja Figura 3).2,14 A Selecção de comprimentos de onda diferentes da excitação do laser para o sinal de Raman permite sondando em profundidades diferentes de 50 nanômetro à subsuperfície de 1,5 µm.

Os mapas de EBSD com definição espacial do ≈ 10 nanômetro fornecem a definição comparável do esforço e a sondagem 30 superfície-localizada nanômetro complementar. As Medidas em um recorte modelo da cunha no acordo da mostra do Si entre as duas técnicas forneceram as profundidades da informação são comparáveis.2 o traço do esforço da Nano-Escala é talvez a técnica de medida nanomechanical a mais emocionante que está sendo tornada, porque permite a verificação directa da conexão entre propriedades nanomechanical materiais e o desempenho de dispositivos nanomechanical.

Figura 3. mapa do Esforço de um recorte longo da cunha de 20 µm no silicone: O Vermelho indica regiões de esforço compressivo, esforço elástico azul. O Conhecimento do campo de esforço complicado é crítico para determinar a confiança de dispositivos de sistemas microelectromechanical. Veja a Referência. 2 para mais detalhes.

Tomado junto, as medidas discutidas acima de, junto com muitos outro, ponto a uma estadia vibrante e emocionante para aplicações nanomechanical dos materiais. Os fenômenos Novos estão sendo descobertos na nano-escala, conduzindo aos avanços na física, na química, e na metrologia mecânica. Estes avanços por sua vez estão permitindo a revelação de ferramentas nanomechanical novas da medida.

De acordo com avanços na potência computacional, que permite regularmente multi-milhão simulações do átomo do comportamento, tais ferramentas da medida têm agora a precisão e a definição espacial refinar as capacidades com carácter de previsão das simulações, mais adicionais apressando a comercialização da nanotecnologia para o consumidor e produtos industriais.


Referências

1. “Um guia prático para a análise de dados do nanoindentation,” M.L. Oyen e R.F. Cozimento, J. Mech. Esteira do Biomedical do Comportamento., 2 (2009) 396-407.
2. A “Comparação de Medidas de Nanoscale da Tensão e do Esforço que usam o Elétron Para Trás Dispersou a Difracção e a Microscopia Confocal de Raman,” M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, e R.F. Cozimento, Appl. Phys. Letras 93 (2008) 193116.
3. “Módulos Elásticos Radiais e Tangenciais Diâmetro-Dependentes de ZnO Nanowires,” G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, e R.F. Cozimento, Letras Nano 7 (2007) 3691-3697
4. “Efeito da proximidade de superfície no módulo elástico de nanowires de Te,” G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, e R.F. Cozimento, Appl. Phys. Letras 92 (2008) 241908.
5. Forças Intermolecular e De Superfície, ?a Edição, J. Israelachvili, Imprensa Académica de Elsevier, Londres (1991).
6. “Origem da Adesão no Ar Húmido,” D. - I. Kim, J. Grobelny, N. Pradeep, e R.F. Cozimento, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. “Acoplamento Mecânico e Elétrico em Contactos da Nano-Escala do Metal-Isolador-Metal, “D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio, e R.F. Cozimento, Appl. Phys. Letras 93 (2008) 203102.
8. “Elástico, adesivo, e propriedades de transporte da carga de uma junção do metal-molécula-metal: o papel da orientação, pedido, e cobertura,” F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer, e R.F. moleculars Cozimento, Langmuir (2009) DOI: 10.1021/la902653n.
9. “Traçando as propriedades elásticas de filmes granulados do Au pela microscopia atômica da força da ressonância do contacto,” G. Stan e R.F. Cozimento, Nanotecnologia 19 (2008) 235701.
10. “Quantificação do efeito do menisco em medidas da força da adesão,” J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. Kim, e Z.C. Ying, Appl. Phys. Letras 88 (2006) 091906.
11. “Ductilidade no nanoscale: Deformação e fractura de contactos do adesivo usando a microscopia atômica da força,” N. Pradeep, D. - I. Kim, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz, e M.R. Zachariah, Appl. Phys. Letras 91 (2007) 203114.
12. “Análise de elemento Finito e investigação experimental da suposição Hertzian na caracterização do rendimento plástico inicial,” L. Miliampère, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr, e L. Levine, J. Mater. Res. 24 (2009) 1059-1068.
13. Do “fractura Recorte de filmes do baixo-dielétrico, da Parte I. Experiência e de observações,” de D.J. Morris e de R.F. constantes Cozimento, J. Mater. Res. 23 (2008) 2429-2442; Da “modelo dos mecânicos da fractura do Recorte Parte II.,” D.J. Morris e R.F. Cozimento, J. Mater. Res. 23 (2008) 2443-2457.
14. “Efeito da orientação crystallographic em transformações da fase durante o recorte do silicone, “Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin, e R.F. Cozimento, J. Mater. Res., 24 (2009) 1172-1183.

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

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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