Измерения и Инструменты Nanomechanical

Др. Роберт F. Варить, Группа Свойств Nanomechanical, Национальный институт стандартов и технологий (NIST)
Соответствуя автор: robert.cook@nist.gov

Нанотехнология обеспечивает колоссальные возможности для развития предварительных приборов с преогромным качеством жизни и хозяйственными преимуществами, при применения колебаясь от биомедицинских implantable приводов к относящим к окружающей среде детекторам токсина к инфраструктурным дистанционным датчикам. Включать эти применения факт что свойства nano-маштаба механически материалов отличал часто радикальным образом свойствиз их двойников большого части или макромасштаба.

Следовательно, критическое требование для коммерчески рационализаторства и изготавливания этих приборов параллельное развитие nanomechanical измерений для того чтобы определить эластик, пластмассу, свойства вязкостных, и трещиноватости материалов,1 и местные положения деформации и усилия, 2 в количественной детали и с пространственным разрешением нанометра. Исследование измерений Nanomechanical exciting multi-подштрафное поле на пересечении механиков, физики, и химии: Новые nanomechanical измерения не только показать основные явления на nano-маштабе но также иметь сразу применение в нанотехнологии.

Фокус Много nanomechanical измерений на механически свойствах материалов или структуры который имеют макроскопические аналоги (например, измерение модуля пластичности, предела текучести, или твёрдости трещиноватости). На вопросе здесь выполняет измерения на малых маштабах длины. Интригуя новые явления наблюдаются в таких измерениях, как увеличенные модули пластичности nanowires мал-радиусов, но3,4 возможно самые интересные nanomechanical измерения те сфокусированные на механически intrinsic поведения к nano-маштабу: Усилия связанные с взаимодействиями между поверхностями будут соответствующими к усилисвязанным с навальной деформацией на малых масштабах и5 такие усилия будут проквантованными по мере того как причалены внутреннеприсущие маштабы длины материала и системы. На вопросе здесь выполняет измерения мелкомасштабных явлений.

Группа Свойств Nanomechanical на Национальном институте стандартов и технологий, под командой Др. Роберта F. Варить, начинает методы измерения и стандарты для того чтобы включить пользу материалов в nanomechanical применениях. Много из nanomechanical развитых инструментов измерения основанный контакт-зонд: Атомный микроскоп усилия (AFM) или оборудованные платформы испытания вмятия (IIT, или «nanoindentation») использованы для того чтобы манипулировать такие зонды и свойства измерения механически материальных поверхностей с точностью nano-маштаба (см. Диаграмму 1). Внеконтактные луч-основанные инструменты включают confocal микроскопию Raman (CRM) и огибание backscatter электрона (EBSD), используемые для отображать усилия nano-маштаба.

Диаграмма 1. Карта иллюстрируя доминантные режимы контакта вмятия с изменениями в материальных свойствах и конфигурациях измерения: Увеличивая материальные сопротивление выхода или время измерения испытания водят к пластмасс-преобладанным реакциям; увеличивая вязкостная остроконечность индентера акустического омического сопротивления или зонда («сметливость») водит к вязкостн-преобладанным реакциям. Реакции контакта nano-маштаба много материалов в центре карты, показывая поведение вязкостн-эластичн-пластмассы. См. REF. 1 для больше деталей.

На самых малых маштабах длины, зонды AFM ≈ 10 радиусов nm использованы для того чтобы измерить влияния влажности на прилипании ≈ контакты 1 радиуса nm.6 Анализы показывают что работа прилипания включает вклады от упругой деформации зонда и поверхности, взаимодействия фургона der Waals между зондом и поверхность, и мениск капиллярной воды окружая контакт зонд-поверхности.

На таком же маштабе в ультравысоком вакууме (UHV), дирижировать-зонд AFM использован для того чтобы измерить свойства соединений тоннеля металл-изолятор-металла сформированных малыми молекулами7 или собственн-собранными монослоями8 на поверхностях золота. Механически и электрические свойства таких соединений сильно соединены и электрические свойства барьера прокладывать тоннель функция усилий контакта nanonewton-маштаба. Эти измерения критические к конструкции и деятельности nanoelectromechanical систем, в которых контакты нанометр-маштаба использованы.

На немножко большойа диапазон, используя 20 nm к 40 зондов nm AFM и 2 nm к 3 контакта nm, методы AFM резонанса контакта (CR-AFM) использованы для того чтобы измерить и отобразить модули пластичности с пространственным разрешением лучше чем 10 nm. Карты CR-AFM nano-кристаллического золота,9 ≈ 70 nm размера зерна, показывают значительно эластичный inhomogeneity с границами между зернами значительно более уступчивыми чем зерна, часто фактор 2 более малого в модуле (см. Диаграмму 2).

Диаграмма 2. Карта модуля пластичности золота nanocrystalline иллюстрируя уступчивые границы между зернами. Это влияние критическое в определять эластичные свойства nanogranular материалов, как таковой материалов содержит очень большие пропорции материала границы между зернами по отношению к их macrogranular двойникам. См. REF. 9 для больше деталей.

Наоборот, измерения CR-AFM на увеличения3 модуля выставки4 nanowires (NWs) ZnO и Te значительно, фактор 2 более большого чем объемные числа, для NWs с радиусами чем ≈ 50 nm, признаковые весьма сильных влияний поверхности. Такие измерения позволяют прогнозы реакций nanomaterials усилить и раскрыть возможность для настраивать свойства nanomaterial через управление размера.

На самом большом маштабе AFM, используя 12 зонда µm коллоидных и 20 контактов nm, измерения прилипания показывают засилье усилия мениска капилляра на контактах микромасштаба, и инвариантность усилия с относительной влажностью.10 Подобные измерения в UHV показывают значительно дуктильность связанную с трещиноватостями контакта, даже для номинально хрупких материалов как кремний.11 Измерения как эти показывают механически явления внутреннеприсущие к nano-маштабу, и в этот случай критический в конструировать microelectromechanical приборы против отказа влияниями трением или stiction.

На очень малых маштабах длины, пластичность металла будет проквантованной по мере того как выход связан с нуклеацией или распространением индивидуальных вывихиваний. Измерения IIT используя зонды диаманта с большим углом разделки кромки использованы для того чтобы измерить натиск выхода в одиночных кристаллах с глубинами вмятия ≈ 10 nm (≈ 30 радиусов вмятия nm).12 Совмещено с измерениями AFM точной формы зонда, усилие податливости к сдвигу идеально-Кристл решительно.

Измерения IIT с зондами малого угла разделки кромки использованы для того чтобы измерить твёрдость nano-маштаба хрупких материалов, как таковой акутовые зонды могут произвести очень малые отказы вмятия. Акутовые измерения длины отказа вмятия nanoporous материалов тонкого фильма диэлектрических показывают что твёрдость инвариантна для отказов как малых как 300 nm.13 Пределы места Предела текучести и твёрдости основные на материалах нагрузок могут выдержать, и эти измерения критические для надежности микроэлектронных приборов, в которых металлы и dielectrics использованы pervasively на nano-маштабе.

Внеконтактные методы CRM и EBSD использованы для того чтобы отобразить распределения усилия в нагруженных компонентах: Карты CRM с размером пиксела ≈ 70 nm и улучшают чем разрешение усилия MPa ≈ 10 позволяет сразу измерению концентраций напряжений на дефектах в кремнии (см. Диаграмму 3).2,14 Выбор различных длин волны возбуждения лазера для сигнала Raman позволяет для зондировать на различных глубинах от 50 nm к субповерхности 1,5 µm.

Карты EBSD с пространственным разрешением ≈ 10 nm обеспечивают соответствующее разрешение усилия и комплементарный поверхност-локализованный nm зондировать 30. Измерения на модельном вмятии клина в согласовании выставки Si между 2 методами обеспечили глубины информации соответствовал.2 отображать усилия Nano-Маштаба возможно exciting nanomechanical будучи превращанным метод измерения, по мере того как оно включает сразу проверку свойств связь между материальных nanomechanical и представление nanomechanical приборов.

Диаграмма 3. карта Усилия вмятия клина 20 µm длиннего в кремнии: Красный Цвет показывает зоны давления при сжатии, голубого растяжимого усилия. Знание осложненного поля напряжения критическое для определять надежность microelectromechanical приборов систем. См. REF. 2 для больше деталей.

Принято совместно, измерения обсуженные над, вместе с много другие, пункт к живой и exciting времени для nanomechanical применений материалов. Новые явления открываются на nano-маштабе, водя к выдвижениям в физику, химию, и механически метрологию. Эти выдвижения в свою очередь включают развитие новых nanomechanical инструментов измерения.

Совместно с выдвижениями в вычислительную силу, которая регулярно включает multi-миллион имитации атома поведения, такие инструменты измерения теперь имеют точность и пространственное разрешение уточнить способности предсказывания имитаций, более дальнейшие быстро проходящ коммерциализация нанотехнологии как для едока, так и для промышленных продуктов.


Справки

1. «Практически направляющий выступ для анализа данных по nanoindentation,» M.L. Oyen и R.F. Варить, J. Mech. Циновка Biomedical Поведения., 2 (2009) 396-407.
2. «Сравнение Измерений Nanoscale Напряжения и Усилия используя Огибание Электрона Назад Разбросанное и Confocal Микроскопию Raman,» M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick, и R.F. Варить, Appl. Phys. Письма 93 (2008) 193116.
3. «Диаметр-Зависимые Радиальные и Касательные Модули Пластичности ZnO Nanowires,» G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal, и R.F. Варить, Nano Письма 7 (2007) 3691-3697
4. «Влияние поверхностной близости на модуле пластичности nanowires Te,» G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin, и R.F. Варить, Appl. Phys. Письма 92 (2008) 241908.
5. Межмолекулярные и Поверхностные Усилия, 2-ой Вариант, J. Israelachvili, Академическая Пресса Elsevier, Лондон (1991).
6. «Начало Прилипания в Влажностном Воздухе,» D. - I. Ким, J. Grobelny, N. Pradeep, и R.F. Варить, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. «Механически и Электрическое Соединение на Контактах Nano-Маштаба Металл-Изолятор-Металла, «D. - I. Ким, N. Pradeep, F.W. DelRio, и R.F. Варить, Appl. Phys. Письма 93 (2008) 203102.
8. «Эластик, прилипатель, и свойства перехода обязанности соединения металл-молекул-металла: роль молекулярных ориентации, заказа, и охвата,» F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Фишера, и R.F. Варить, Langmuir (2009) DOI: 10.1021/la902653n.
9. «Отображающ эластичные свойства зернистых фильмов Au микроскопией усилия резонанса контакта атомной,» G. Stan и R.F. Варить, Нанотехнология 19 (2008) 235701.
10. «Квантификация влияния мениска в измерениях усилия прилипания,» J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. Ким, и Z.C. Ying, Appl. Phys. Письма 88 (2006) 091906.
11. «Дуктильность на nanoscale: Деформация и трещиноватость контактов прилипателя используя атомную микроскопию усилия,» N. Pradeep, D. - I. Ким, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz, и M.R. Zachariah, Appl. Phys. Письма 91 (2007) 203114.
12. «Анализ Небесконечного элемента и экспириментально исследование Hertzian предположения на характеризации начального пластичного выхода,» L. Ma, D.J. Моррис, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr, и L. Levine, J. Mater. Res. 24 (2009) 1059-1068.
13. «Трещиноватость Вмятия фильмов низк-диэлектрика постоянн, Части I. Эксперимента и замечаний,» D.J. Морриса и R.F. Варить, J. Mater. Res. 23 (2008) 2429-2442; «Модель механиков трещиноватости Вмятия Части II.,» D.J. Моррис и R.F. Варить, J. Mater. Res. 23 (2008) 2443-2457.
14. «Влияние кристаллографического направления на преобразованиях участка во время вмятия кремния, «Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Моррис, M.D. Vaudin, и R.F. Варить, J. Mater. Res., 24 (2009) 1172-1183.

Авторское Право AZoNano.com, Др. Роберт Варить (NIST)

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

Last Update: 13. June 2013 23:39

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