There is 1 related live offer.

5% Off SEM, TEM, FIB or Dual Beam

Nanomechanical Mätningar och Bearbetar

Dr. Robert F. Laga Mat, Nanomechanical RekvisitaGrupp, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Motsvarande författare: robert.cook@nist.gov

Nanotechnology ger stora tillfällen för utvecklingen av avancerade apparater med jättelik livskvalitet, och ekonomiskt gynnar, med applikationer som spänner från implantable utlösare för biomedicalen till miljö- toxinavkännare till infrastructural avlägsna avkännare. att Möjliggöra dessa applikationer är faktumet att nano-fjäll den mekaniska rekvisitan av material är ofta radically olik från de av deras i- stora partier eller makro-fjäll motstycken.

Hence är bryter ett kritiskt krav för reklamfilminnovationen och ett fabriks- av dessa apparater den parallella utvecklingen av nanomechanical mätningar som bestämmer resåret, plast- som är viscous och rekvisita av material,1 och lokalen påstår av deformering, och spänningen, 2 i kvantitativt specificerar och med rumslig upplösning för nanometer. Nanomechanical mätningar som forskning är ett spännande mång--disciplinärt, sätter in på genomskärningen av mekaniker, fysik och kemi: Nya nanomechanical mätningar inte endast att avslöja grundfenomen på nano-fjäll utan också att ha att rikta applikation i nanotechnology.

Många nanomechanical mätningar fokuserar på mekanisk rekvisita av material eller strukturerar som har macroscopic motsvarigheter (e.g., mätningen av resårmodulusen, avkastningspänning, eller bryter toughness). På utfärda utför här mätningar på lilla längdfjäll. Fängslande nya fenomen observeras i sådan mätningar, liksom ökande resårmoduli av liten-radier nanowires, men3,4 kanske är de mest intressant nanomechanical mätningarna de fokuserade på mekaniskt uppförande som är inneboende till nano-fjäll: Styrkor som är tillhörande med växelverkan between, ytbehandlar blivet jämförbara till de som är tillhörande med bulk deformering på lilla fjäll, och5 sådan styrkor blir quantized, som inneboende materiella och systemlängdfjäll att närma sig. På utfärda utför här mätningar av småskaliga fenomen.

Den Nanomechanical RekvisitaGruppenNationalet Institute of Standards and Technology, under ledarskap av Dr. Robert F. Laga Mat, framkallar mätningstekniker och normal för att möjliggöra bruket av material i nanomechanical applikationer. Många av den nanomechanical mätningen bearbetar framkallat är den baserade kontakt-sonden: Det Atom- styrkamikroskopet (AFM) eller den instrumenterade inryckningen som testar (IIT eller ”nanoindentationen”) plattformar är van vid behandlar sådan sonder och mäter mekanisk rekvisita av materiellt ytbehandlar med nano-fjäll precision (se för att Figurera 1). denbaserade Non-Kontakten bearbetar inkluderar confocal Raman microscopy (CRM) och elektronbackscatterdiffraction (EBSD) som används för att kartlägga för nano-fjäll spänning.

Figurera 1. Map som illustrerar de framträdande inryckningskontaktfunktionslägena med variationer i materiell rekvisita och mätningskonfigurationer: Ökande materiellt avkastningmotstånd eller testar mätningstidblytak till plast--dominerade svar; ökande för motstånds- eller sondindenter för viscous flöde blytak för skärpa (”skärpa”) till viscous-dominerade svar. Nano-fjäll kontaktsvaren av många material är i centrera av kartlägga som ställer ut viscous-resår-plast- uppförande. Se Referens. 1 för mer specificerar.

På de minsta längdfjällen är AFM-sonder av ≈ 10 nm-radie van vid mäter verkställer av fuktighet på adhesionen av ≈ kontakter för 1 nm-radie.6 Analyser visar, att arbetet av adhesion inkluderar bidrag från resårdeformering av sonden och ytbehandlar, skåpbil der Waals växelverkan mellan sonden och ytbehandlar, och capillaryen bevattnar menisken som omger denytbehandla kontakten.

På det samma fjäll i ultra-kick dammsuga (UHV), är föra-sonden AFM van vid mäter rekvisitan av belägga med metall-isolator-belägger med metall tunnelföreningspunkter som bildas av lilla molekylar,7 eller själv-församlade monolayers8 på guld- ytbehandlar. Den mekaniska och elektriska rekvisitan av sådan föreningspunkter kopplas ihop starkt, och den elektriska grävabarriärrekvisitan är en fungera av nanonewton-fjäll kontaktstyrkorna. Dessa mätningar är kritiska till designen och funktionen av nanoelectromechanical system, som nanometer-fjäll kontakter används i.

På litet större fjäll genom att använda 20 nm till 40 sonder för nm AFM och 2 nm till 3 nm-kontakter, är tekniker för kontaktresonansAFM (CR-AFM) van vid mäter och kartlägger resårmoduli med bättre än rumslig upplösning för 10 nm. CR-AFM kartlägger av nano-crystalline guld-, 9 korn storleksanpassar ≈ 70 nm, viktig resårinhomogeneity för show med korngränser som betydligt är mer eftergiven än kornen, ofta en dela upp i faktorer av två som är mindre i modulus (se för att Figurera 2).

Figurera 2. Kartlägga av den guld- resårmodulusen av nanocrystallinen illustrera de eftergivena korngränserna. Detta verkställer är kritiskt, i att bestämma resårrekvisitan av nanogranular material, som sådan material innehåller mycket mer stor proportionerar av korn-gräns materiell släkting till deras macrogranular motstycken. Se Referens. 9 för mer specificerar.

Omvänt visar CR--AFMmätningar på3 ZnO och4 Te (NWs) nanowires viktiga modulusförhöjningar, en dela upp i faktorer av mer stor två, än i stora partier värderar, för NWs med radier mindre, än ≈ 50 nm, indikativ av extremt starkt ytbehandlar påverkan. Sådan mätningar möjliggör förutsägelsear av svaren av nanomaterials för att belasta, och att öppna möjligheten för att trimma nanomaterialrekvisita storleksanpassa igenom kontrollerar.

På det största AFM-fjäll genom att använda 12 colloidal sonder för µm och 20 nm-kontakter, avslöjer tvingar adhesionmätningar herravälden av capillarymeniskstyrkan på mikro-fjäll kontakter och invarians med släktingfuktighet.10 Liknande mätningar i viktig medgörlighet för UHV-showen som är tillhörande med kontakten, bryter, även för nominellt bräckliga material liksom silikoner.11 Mätningar liksom dessa avslöjer inneboende mekaniska fenomen till nano-fjäll, och i detta fall var kritisk, i att planlägga microelectromechanical apparater mot fel vid friktion, eller stictionen verkställer.

Belägga med metall plasticity blir quantized, som avkastning är tillhörande med det att bilda en kärna eller förökningen av individförskjutningar På mycket lilla längdfjäll. IIT-mätningar som använder diamantsonder med stort inklusive, metar är van vid mäter starten av avkastning i singelkristaller med inryckningsdjup av ≈ 10 nm (≈ 30 nm-inryckningsradie).12 Kombinerat med AFM-mätningar av avkräva forma av sonden, spänningen för ideal-kristallen saxavkastning är beslutsamt.

IIT-mätningar med sonder av litet inklusive metar är van vid mäter nano-fjäll toughnessen av bräckliga material, som sådan akut sonder kan frambringa mycket lilla inryckningssprickor. Akut mätningar för inryckningssprickalängd av nanoporous tunt filmar dielectric material visar att toughness är invariant för sprickor som så är lilla som 300 nm.13 Avkastningspänningen och toughness förlägger grund begränsar på laddar material på burk motståndskraft, och dessa mätningar är kritiska för pålitlighet av microelectronic apparater, som belägger med metall i, och dielectrics används pervasively på nano-fjäll.

Non-Kontakten CRM och EBSD-tekniker är van vid kartlägger spänningsfördelningor i laddade delar: CRM kartlägger med ≈ 70, nm- somPIXELet storleksanpassar och förbättrar, än för MPa-spänningen för ≈ 10 upplösning låter riktar mätning av spänningskoncentrationer på hoppar av i silikoner (se för att Figurera 3).2,14 Valet av olika laser-magnetiseringsvåglängder för Ramanen signalerar låter för att sondera på olika djup från 50 nm till under ytan µm 1,5.

EBSD kartlägger med ≈ 10, rumslig upplösning som för nm ger jämförbar spänningsupplösning och kompletterande nm ytbehandla-lokaliserat sondera 30. Mätningar på en modellerakilinryckning i Si-showöverenskommelse mellan de två teknikerna g informationsdjupen är jämförbara.2 att kartlägga för Nano-Fjäll spänning är kanske den mest spännande nanomechanical mätningstekniken som framkallas, som den möjliggör riktar verifikationen av anslutningen mellan materiell nanomechanical rekvisita och kapaciteten av nanomechanical apparater.

Figurera 3. Spänningen kartlägger av en lång kilinryckning för 20 µm i silikoner: Rött indikerar regioner av den compressive spänningen, tänjbar spänning för blått. Kunskap av den invecklade spänningen sätter in är kritisk för att bestämma pålitligheten av microelectromechanical systemapparater. Se Referens. 2 för mer specificerar.

Sammantaget pekar mätningarna som över diskuteras, tillsammans med många andra, till en vibrerande och spännande tid för nanomechanical applikationer av material. Nya fenomen upptäcks på nano-fjäll som leder till framflyttningar i fysik, kemi och mekanisk metrology. Dessa framflyttningar möjliggör utvecklingen av den nya nanomechanical mätningen bearbetar i sin tur.

I konsert med framflyttningar i computational driva, som möjliggör regelbundet mång--miljon atomsimuleringar av uppförande, den sådan mätningen bearbetar har nu precisionen och den rumsliga upplösningen för att raffinera de predictive kapaciteterna av simuleringar som är mer ytterligare rusa commercializationen av nanotechnology för både konsument och industriella produkter.


Hänvisar till

1. ”Vägleder ett praktiskt för analys av nanoindentationdata,” M.L. Oyen och R.F. Laga Mat, J. Mech. Matt UppförandeBiomedical., 2 (2009) 396-407.
2. ”Spridde Jämförelsen av Nanoscale Mätningar av Strain och Spänningen som använder ElektronBaksida, Diffraction och Confocal Raman Microscopy,” M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick och R.F. Laga Mat, Appl. Phys. Märker 93 (2008) 193116.
3. ”Diameter-Anhörig Märker Radiella och Tangentiella ResårModuli av ZnO Nanowires,” G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal och R.F. Laga Mat som Är Nano 7 (2007) 3691-3697
4. ”Verkställa av ytbehandlar närhet på resårmodulusen av Te nanowires,” G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin och R.F. Laga Mat, Appl. Phys. Märker 92 (2008) 241908.
5. Intermolecular och Ytbehandla Styrkor, den 2nd Upplagan, J. Israelachvili, Elsevier Akademiska Press, London (1991).
6. ”Luftar Beskärningen av Adhesion i Humid,” D. - I. Kim, J. Grobelny, N. Pradeep och R.F. Laga Mat, Langmuir 24 (2008) 1873-1877.
7. ”Mekaniskt och Elektriskt Belägga med metall-Isolator-Belägger med metall Koppla Ihop på Nano-Fjäll Kontakter, ”D. - I. Kim, N. Pradeep, F.W. DelRio och R.F. Laga Mat, Appl. Phys. Märker 93 (2008) 203102.
8. ”Resår, bindemedel och laddningstransportrekvisita av enbelägga med metall föreningspunkt: rollen av den molekylära riktningen, beställer, och täckning,” F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. Fischer och R.F. Laga Mat, Langmuir (2009) DOI: 10.1021/la902653n.
9. ”Filmar att Kartlägga resårrekvisitan av grynig Au vid microscopy för styrka för kontaktresonans atom-,” G. Stan och R.F. Laga Mat, Nanotechnology 19 (2008) 235701.
10. ”Verkställer Quantification av menisken i adhesionstyrkamätningar,” J. Grobelny, N. Pradeep, D. - I. Kim och Z.C. Ying, Appl. Phys. Märker 88 (2006) 091906.
11. ”Medgörlighet på nanoscalen: Deformering och bryter av adhesive kontakter genom att använda atom- styrkamicroscopy,” N. Pradeep, D. - I. Kim, J. Grobelny, T. Hawa, B. Henz och M.R. Zachariah, Appl. Phys. Märker 91 (2007) 203114.
12. ”Finite beståndsdelanalys och experimentell utredning av det Hertzian antagandet på karakteriseringen av initial plast- avkastning,” L. Mor, D.J. Morris, S.L. Jennerjohn, D.F. Bahr och L. Levine, J. Mater. Res. 24 (2009) 1059-1068.
13. ”Bryter Inryckningen av låg-dielectric konstant filmar, Delen I. Experimentera och observationer,” D.J. Morris och R.F. Laga Mat, J. Mater. Res. 23 (2008) 2429-2442; ”Bryter Inryckningen för Del II. mekaniker modellerar,” D.J. Morris och R.F. Laga Mat, J. Mater. Res. 23 (2008) 2443-2457.
14. ”Verkställa av crystallographic riktning arrangerar gradvis på omformningar under inryckning av silikoner, ”Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. Morris, M.D. Vaudin och R.F. Laga Mat, J. Mater. Res., 24 (2009) 1172-1183.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Dr. Robert Laga Mat (NIST)

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

Last Update: 13. June 2013 23:46

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