Nanomechanical 評定和工具

羅伯特 F. CookNanomechanical 屬性組國家標準技術局 (NIST) 博士
對應的作者: robert.cook@nist.gov

納米技術為先進的設備的發展提供重要機遇極大質量壽命和經濟福利,以範圍從生物醫學的可植入的可移植的致動器的應用到環境毒素探測器基礎建設的遙感器。 啟用這些應用是這個情況材料納諾縮放比例機械性能經常是完全不同的與那些他們的批量項目貨簽或大規模副本。

因此,這些設備商業創新和製造的一個重要需求是確定材料變形和重點彈性、塑料、黏和破裂屬性和局部狀態的1 nanomechanical 評定的並行發展,2 在定量詳細資料和與毫微米空間分辨率。 Nanomechanical 評定研究是一個扣人心弦的多重學科的域在機械工、物理和化學的交叉點: 新的 nanomechanical 評定不僅顯示根本現象在這個納諾縮放比例,而且有直接應用在納米技術方面。

許多 nanomechanical 評定著重即有宏觀類似物材料或結構的機械性能 (彈性模數、屈服應力或者破裂韌性的評定)。 爭論中這裡進行評定在小的長度等級。 迷人的新的現象在這樣評定被觀察,例如小型半徑 nanowires 的增加的彈性模數,或許3,4 ,但是最有趣的 nanomechanical 評定是於機械工作情況內在集中的那些對這個納諾縮放比例: 強制與表面之間的交往相關變得可比較與那些與批量變形相關在小規模,并且5 這樣強制變得使量子化,當內在材料和系統長度縮放比例處理。 爭論中這裡進行小規模現象的評定。

國家標準技術局的 Nanomechanical 屬性組,在羅伯特 F. Cook 博士的領導下,開發計量技術和標準啟用使用在 nanomechanical 應用的材料。 被開發的許多 nanomechanical 評定工具是基於的聯絡探測: 基本強制顯微鏡 (AFM)或被導航的凹進測試 (IIT 或者 「nanoindentation」) 平臺用於操作實質面這樣探測和評定機械性能與納諾縮放比例精確度的 (參見圖 1)。 沒有接觸的基於射線的工具包括共焦的喇曼顯微學 (CRM)和電子背景散射的衍射 (EBSD),使用為納諾縮放比例重點映射。

圖 1. 說明與差異的映射統治凹進聯繫模式在有形資產和評定配置: 增長的物質產量阻力或測試評定時間導致塑料主導的回應; 增長的滯流阻力或探測受託代購商敏銳 (「鋒利」) 導致黏主導的回應。 許多材料納諾縮放比例聯絡回應在映射的中心,顯示黏有彈性塑料工作情況。 欲瞭解更詳細的信息參見參考 1。

在最小的長度等級, ≈ AFM 探測 10 條毫微米半徑用於評定濕氣的作用對≈黏附力 1 條毫微米半徑聯絡。6 分析向顯示黏附力工作包括從探測和表面的彈性變形的攤繳,探測之間的 van der Waals 交往和表面和包圍探測表面聯絡的血絲水半月板。

在超高真空的同一個縮放比例 (UHV),執行探測 AFM 用於評定金屬裝绝緣體工金屬小的分子或自被彙編的單層形成的隧道連接點7屬性8 在金表面。 機械和電子屬性的這樣連接點嚴格被耦合,并且電子挖洞障礙屬性是 nanonewton 縮放比例聯絡強制的功能。 這些評定對 nanoelectromechanical 系統的設計和運算至關重要,毫微米縮放比例聯絡使用。

在輕微大規模,使用 20 毫微米到 40 毫微米 AFM 探測和 2 毫微米到 3 毫微米聯絡,聯絡共鳴 AFM (CR-AFM) 技術用於評定和映射與更好比 10 毫微米空間分辨率的彈性模數。 納諾水晶金子,粒度≈9 70 毫微米 CR-AFM 映射,比穀物,經常系數顯示與晶界的重大的有彈性多相性顯著地兼容二小在模數 (參見圖 2)。

nanocrystalline 金子的彈性模數的圖 2. 說明兼容晶界的映射。 此作用是重要的在確定 nanogranular 材料有彈性屬性,因為這樣材料包含穀物限定範圍材料的更加巨大的比例相對他們的 macrogranular 副本。 欲瞭解更詳細的信息參見參考 9。

相反地,在 ZnO 和 Te3 nanowires 的 CR-AFM4 評定 (NWs)顯示重大的模數增量,系數二非常地比批量為與半徑的 NWs 比≈ 50 毫微米重視,較少,預示非常嚴格的表面影響。 這樣評定使 nanomaterials 回應的預測通過範圍控制強調和開闢調整 nanomaterial 屬性的可能性。

在最大的 AFM 等級,使用 12 µm 膠質探測和 20 毫微米聯絡,黏附力評定顯示血絲半月板強制的優勢在微小等級聯絡和與相對濕度的強制不變性。10 在 UHV 的相似的評定顯示重大的延展性與聯絡破裂相關,甚而名義上易碎的材料的例如硅。11 評定例如這些顯示內在機械的現象對這個納諾縮放比例和在這種情況下是重要的在設計微電動機械的設備故障由摩擦或 stiction 作用。

在非常小的長度等級,當產量與各自的脫臼的生核或傳送相關,金屬可塑性變得使量子化。 使用金剛石探測的 IIT 評定與大包括的角度用於評定產量起始在單晶的與≈ 10 毫微米 (≈的凹進深度 30 條毫微米凹進半徑)。12 與探測的確切的形狀的 AFM 評定結合,理想水晶剪屈服應力是確定的。

因為這樣深刻探測可能生成非常小的凹進鎮壓,與小的包括的角度探測的 IIT 評定用於評定易碎的材料的納諾縮放比例韌性。 nanoporous 薄膜電介質材料的深刻凹進精銳部隊長度評定向顯示韌性為鎮壓是不變式一樣小像 300 毫微米。13 屈服應力和韌性安排根本限額在負荷材料可能承受,并且這些評定為微電子學設備的可靠性是重要的,金屬和電介質使用普遍地在這個納諾縮放比例。

沒有接觸的 CRM 和 EBSD 技術用於映射在被裝載的要素的重點配電器: 與≈ 70 毫微米像素範圍的 CRM 映射和比≈ 10 MPa 重點解決方法允許應力集中的直接測量在硅的改善缺陷 (參見圖 3)。2,14 不同的激光勵磁波長的選擇喇曼信號的允許探查在從 50 毫微米的不同的深度對 1.5 µm 表面下。

與≈ 10 毫微米空間分辨率的 EBSD 映射提供可比較的重點解決方法和補充 30 毫微米表面局限化的探查。 在模型楔子凹進的評定在 Si 在二個技術之間的顯示協議提供了信息深度是可比較的。2 因為它啟用連接數的直接核實物質 nanomechanical 屬性和 nanomechanical 設備之間,性能的或許納諾縮放比例重點映射是被開發的最扣人心弦的 nanomechanical 計量技術。

圖 3. 20 µm 長的楔子凹進的重點映射在硅的: 紅色指示壓縮應力,藍色張應力的地區。 複雜應力場的知識為確定微電動機械的系統設備的可靠性是重要的。 欲瞭解更詳細的信息參見參考 2。

採取一起,評定討論上面,以及許多其他,點對材料的 nanomechanical 應用的一充滿活力和扣人心弦的時光。 新的現象被發現在這個納諾縮放比例,導致在物理、化學和機械計量學上的進步。 這些預付款反過來啟用新的 nanomechanical 評定工具的發展。

協力在計算功率的預付款,有規律地啟用工作情況的數百萬的原子模擬,這樣評定工具現在有這個精確度和空間分辨率精煉模擬的預見力,更加進一步加速納米技術的商品化消費者和工業品的。


參考

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3. 「ZnO Nanowires 的直徑從屬的輻形和正切彈性模數」, G. Stan, C.V. Ciobanu, P.M. Parthangal 和 R.F. Cook,納諾信函 7 (2007) 3691-3697
4. 「表面接近度的作用對 Te nanowires 的彈性模數」, G. Stan, S. Krylyuk, A. Davydov, M. Vaudin 和 R.F. Cook, Appl。 Phys。 信函 92 (2008) 241908。
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版權 AZoNano.com,羅伯特 Cook (NIST) 博士

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

Last Update: 13. June 2013 23:02

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