Nanomechanical 评定和工具

罗伯特 F. CookNanomechanical 属性组国家标准技术局 (NIST) 博士
对应的作者: robert.cook@nist.gov

纳米技术为先进的设备的发展提供重要机遇极大质量寿命和经济福利,以范围从生物医学的可植入的可移植的致动器的应用到环境毒素探测器基础建设的遥感器。 启用这些应用是这个情况材料纳诺缩放比例机械性能经常是完全不同的与那些他们的批量项目货签或大规模副本。

因此,这些设备商业创新和制造的一个重要需求是确定材料变形和重点弹性、塑料、黏和破裂属性和局部状态的1 nanomechanical 评定的并行发展,2 在定量详细资料和与毫微米空间分辨率。 Nanomechanical 评定研究是一个扣人心弦的多重学科的域在机械工、物理和化学的交叉点: 新的 nanomechanical 评定不仅显示根本现象在这个纳诺缩放比例,而且有直接应用在纳米技术方面。

许多 nanomechanical 评定着重即有宏观类似物材料或结构的机械性能 (弹性模数、屈服应力或者破裂韧性的评定)。 争论中这里进行评定在小的长度等级。 迷人的新的现象在这样评定被观察,例如小型半径 nanowires 的增加的弹性模数,或许3,4 ,但是最有趣的 nanomechanical 评定是于机械工作情况内在集中的那些对这个纳诺缩放比例: 强制与表面之间的交往相关变得可比较与那些与批量变形相关在小规模,并且5 这样强制变得使量子化,当内在材料和系统长度缩放比例处理。 争论中这里进行小规模现象的评定。

国家标准技术局的 Nanomechanical 属性组,在罗伯特 F. Cook 博士的领导下,开发计量技术和标准启用使用在 nanomechanical 应用的材料。 被开发的许多 nanomechanical 评定工具是基于的联络探测: 基本强制显微镜 (AFM)或被导航的凹进测试 (IIT 或者 “nanoindentation”) 平台用于操作实质面这样探测和评定机械性能与纳诺缩放比例精确度的 (参见图 1)。 没有接触的基于射线的工具包括共焦的喇曼显微学 (CRM)和电子背景散射的衍射 (EBSD),使用为纳诺缩放比例重点映射。

图 1. 说明与差异的映射统治凹进联系模式在有形资产和评定配置: 增长的物质产量阻力或测试评定时间导致塑料主导的回应; 增长的滞流阻力或探测受托代购商敏锐 (“锋利”) 导致黏主导的回应。 许多材料纳诺缩放比例联络回应在映射的中心,显示黏有弹性塑料工作情况。 欲了解更详细的信息参见参考 1。

在最小的长度等级, ≈ AFM 探测 10 条毫微米半径用于评定湿气的作用对≈黏附力 1 条毫微米半径联络。6 分析向显示黏附力工作包括从探测和表面的弹性变形的摊缴,探测之间的 van der Waals 交往和表面和包围探测表面联络的血丝水半月板。

在超高真空的同一个缩放比例 (UHV),执行探测 AFM 用于评定金属装绝缘体工金属小的分子或自被汇编的单层形成的隧道连接点7属性8 在金表面。 机械和电子属性的这样连接点严格被耦合,并且电子挖洞障碍属性是 nanonewton 缩放比例联络强制的功能。 这些评定对 nanoelectromechanical 系统的设计和运算至关重要,毫微米缩放比例联络使用。

在轻微大规模,使用 20 毫微米到 40 毫微米 AFM 探测和 2 毫微米到 3 毫微米联络,联络共鸣 AFM (CR-AFM) 技术用于评定和映射与更好比 10 毫微米空间分辨率的弹性模数。 纳诺水晶金子,粒度≈9 70 毫微米 CR-AFM 映射,比谷物,经常系数显示与晶界的重大的有弹性多相性显著地兼容二小在模数 (参见图 2)。

nanocrystalline 金子的弹性模数的图 2. 说明兼容晶界的映射。 此作用是重要的在确定 nanogranular 材料有弹性属性,因为这样材料包含谷物限定范围材料的更加巨大的比例相对他们的 macrogranular 副本。 欲了解更详细的信息参见参考 9。

相反地,在 ZnO 和 Te3 nanowires 的 CR-AFM4 评定 (NWs)显示重大的模数增量,系数二非常地比批量为与半径的 NWs 比≈ 50 毫微米重视,较少,预示非常严格的表面影响。 这样评定使 nanomaterials 回应的预测通过范围控制强调和开辟调整 nanomaterial 属性的可能性。

在最大的 AFM 等级,使用 12 µm 胶质探测和 20 毫微米联络,黏附力评定显示血丝半月板强制的优势在微小等级联络和与相对湿度的强制不变性。10 在 UHV 的相似的评定显示重大的延展性与联络破裂相关,甚而名义上易碎的材料的例如硅。11 评定例如这些显示内在机械的现象对这个纳诺缩放比例和在这种情况下是重要的在设计微电动机械的设备故障由摩擦或 stiction 作用。

在非常小的长度等级,当产量与各自的脱臼的生核或传送相关,金属可塑性变得使量子化。 使用金刚石探测的 IIT 评定与大包括的角度用于评定产量起始在单晶的与≈ 10 毫微米 (≈的凹进深度 30 条毫微米凹进半径)。12 与探测的确切的形状的 AFM 评定结合,理想水晶剪屈服应力是确定的。

因为这样深刻探测可能生成非常小的凹进镇压,与小的包括的角度探测的 IIT 评定用于评定易碎的材料的纳诺缩放比例韧性。 nanoporous 薄膜电介质材料的深刻凹进精锐部队长度评定向显示韧性为镇压是不变式一样小象 300 毫微米。13 屈服应力和韧性安排根本限额在负荷材料可能承受,并且这些评定为微电子学设备的可靠性是重要的,金属和电介质使用普遍地在这个纳诺缩放比例。

没有接触的 CRM 和 EBSD 技术用于映射在被装载的要素的重点配电器: 与≈ 70 毫微米象素范围的 CRM 映射和比≈ 10 MPa 重点解决方法允许应力集中的直接测量在硅的改善缺陷 (参见图 3)。2,14 不同的激光励磁波长的选择喇曼信号的允许探查在从 50 毫微米的不同的深度对 1.5 µm 表面下。

与≈ 10 毫微米空间分辨率的 EBSD 映射提供可比较的重点解决方法和补充 30 毫微米表面局限化的探查。 在模型楔子凹进的评定在 Si 在二个技术之间的显示协议提供了信息深度是可比较的。2 因为它启用连接数的直接核实物质 nanomechanical 属性和 nanomechanical 设备之间,性能的或许纳诺缩放比例重点映射是被开发的最扣人心弦的 nanomechanical 计量技术。

图 3. 20 µm 长的楔子凹进的重点映射在硅的: 红色指示压缩应力,蓝色张应力的地区。 复杂应力场的知识为确定微电动机械的系统设备的可靠性是重要的。 欲了解更详细的信息参见参考 2。

采取一起,评定讨论上面,以及许多其他,点对材料的 nanomechanical 应用的一充满活力和扣人心弦的时光。 新的现象被发现在这个纳诺缩放比例,导致在物理、化学和机械计量学上的进步。 这些预付款反过来启用新的 nanomechanical 评定工具的发展。

协力在计算功率的预付款,有规律地启用工作情况的数百万的原子模拟,这样评定工具现在有这个精确度和空间分辨率精炼模拟的预见力,更加进一步加速纳米技术的商品化消费者和工业品的。


参考

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2. “张力和重点的 Nanoscale 评定比较使用电子分散的衍射和共焦的喇曼显微学”, M.D. Vaudin, Y.B. Gerbig, S.J. Stranick 和 R.F. Cook, Appl。 Phys。 信函 93 (2008) 193116。
3. “ZnO Nanowires 的直径从属的辐形和正切弹性模数”, G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal 和 R.F. Cook,纳诺信函 7 (2007) 3691-3697
4. “表面接近度的作用对 Te nanowires 的弹性模数”, G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin 和 R.F. Cook, Appl。 Phys。 信函 92 (2008) 241908。
5. 分子间和地面部队,第 2 个编辑, J. Israelachvili, Elsevier 学术出版社,伦敦 (1991)。
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7. “在金属装绝缘体工金属纳诺缩放比例联络的机械和电子联结, “D。 - I。金, N. Pradeep, F.W. DelRio 和 R.F. Cook, Appl。 Phys。 信函 93 (2008) 203102。
8. “弹性、粘合剂和充电金属分子金属连接点的输运性质: 分子取向的角色、命令和覆盖范围、” F.W. DelRio, K.L. Steffens, C. Jaye, D.A. 菲舍尔和 R.F. Cook, Langmuir (2009) DOI : 10.1021/la902653n.
9. “映射粒状澳大利亚影片有弹性属性由联络共鸣基本强制显微学”, G. Stan 和 R.F. Cook,纳米技术 19 (2008) 235701。
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14. “晶体取向的作用对阶段转换在硅的凹进时, “Y.B Gerbig, S.J. Stranick, D.J. 莫妮斯, M.D. Vaudin 和 R.F. Cook, J. Mater。 Res., 24 (2009) 1172-1183。

版权 AZoNano.com,罗伯特 Cook (NIST) 博士

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

Last Update: 13. June 2013 22:59

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