Анализ Механически Свойства Nanoscale для Разнообразных Материалов используя Инструменты AFM

Содержание

Введение
Совмещенный Тангенс Потери и Отображать AM-FM Вязко-эластический
Тангенс Потери
Отображать AM-FM Вязко-эластический
Высокочастотная Модуляция Усилия
Отображать Резонанса Контакта Вязко-эластический
Вертикальное Nanoindenting
Кривые Усилия, Усилие Отображая и Моделирование Усилия
    Кривые Усилия
    Отображать Усилия
    Моделирование Усилия
Заключение
О Исследовании Убежища

Введение

Понимая nanoscale механически свойства первостепенного значения для оценивать поведение и представление большого разнообразия промышленно, биологически и структурно важные материалы. Атомная подсказка Микроскопа (AFM) Усилия взаимодействуя с образцом испытывает усилия возникая от много различных источников - упругость, выкостность, прилипание, фургон der Waals - для того чтобы назвать несколько. Следовательно, было все больше и больше ясно что надежные и точные измерения свойств материалов требуют смотреть ваш образец в больше чем одном путе.  Одиночные методы просто недостаточны для точно и rigorously показывая свойства образца и могут часто производить вводить в заблуждение и даже неточные результаты и заключения.

Набор инструментов NanomechPro™ (Диаграмма 1) для Cypher™ Убежища и MFP-3D™ AFMs обеспечивает сюиту инструментов для того чтобы соотвествовать исследователя nanomechanics и и импрессивно мощна и быстро расширяющ. Различные инструменты комплементарны - каждый метод зондирует и записывает различные реакции ваших образцов - и часто могут быть использованы одновременно (например Вычисляет 2a - d). Дополнительно, с Cypher AFM, много из этих новых методов можно совместить с малыми, быстрыми, малошумными cantilevers, включающ измерения на уровнях шума и скоростях ранее невозможных.

Диаграмма 1. Набор Инструментов NanomechPro состоит из сюиты точных инструментов для измерять свойства nanoscale механически разнообразных материалов. Различные инструменты комплементарны - каждый метод зондирует и записывает различные реакции ваших образцов.

   

Диаграмма 2. Изображения сандвича Viton®/epoxy/EPDM (выйденного к праву).  Количественные на данные по Тангенса Потери показанные внутри (a) ясно показано более высокий Тангенс Потери Viton. Жесткость измерена путем отслеживать частоту резонанса второго режима (b), ясно разрешая разницу в модулях пластичности Viton (Подпирайте 78) и EPDM (Подпирайте A 58). Диссипация AM-FM, отнесенная к модулю потери показана внутри (c).  Окончательно, изображение Амплитуды Модуляции Усилия (d) также показывает жесткость измеренную с вторым методом, на гораздо высокее глубине проникания, комплементарную информацию результаты AM-FM внутри (b).

Совмещенный Тангенс Потери и Отображать AM-FM Вязко-эластический

Амплитуд-Модулируемая (AM) атомная микроскопия усилия, также известная как выстукивая режим или режим AC, доказанный, надежный и нежный метод воображения с широко распространённый применениями. Ранее, контраст в выстукивая режиме трудн для того чтобы квантифицировать. Однако, в этой работе мы вводим 2 новых метода который позволяют точно выраженному толкованию материальных свойств в выстукивая режиме: Отображать AM-FM Вязко-эластический (AM-FM) и Тангенс Потери.

Потому Что эти измерения сделаны одновременно, встроенная проверка для собственн-последовательности в измерениях. Новый метод воображения AM-FM совмещает характеристики и преимущества нормального выстукивая режима с количественной, высокой чувствительностью режима Частотной Модуляции (FM). И Тангенс Потери и воображение AM-FM можно выполнить одновременно на высоких тарифах сбора информации. Эти методы исключительно доступны от Исследования Убежища, патентов 8.024.963, 7.937.991, 7.603.891, 7.921.466 и 7.958.563 США с другими ожидающими решения.

Тангенс Потери

Воображение Тангенса Потери (Диаграмма 2a) недавно введенный количественный метод который перестраивает толкование воображения участка в одну термину которая включает и рассеиванную и скрытую энергию взаимодействия образца подсказки. В тоже время, взаимодействие подсказк-образца модулирует частоту второго резонирующего режима. Количественные быть в зависимости от отступления частоты жесткость образца и могут быть прикладной к разнообразие физическим моделям. Эти методы позволяют быстрому ходу, низкому воображению усилия в выстукивая режиме пока обеспечивающ количественные изображения Тангенса упругости и Потери.

Отображать AM-FM Вязко-эластический

Отображать AM-FM Вязко-эластический (Диаграмма 2b, c) совмещает характеристики и преимущества нормального выстукивая также вызванного режима (AM) с быстрой скеннированием и количественным, высоким режимом Частотной Модуляции (FM) Чувствительности. Топографическая обратная связь работает в нормальном выстукивая режиме, обеспечивая неинвазивное, высокомарочное воображение. Вторая частота привода режима отрегулирована для того чтобы держать участок на 90 градусах, на резонансе.

Эта резонирующая частота чувствительное измерение взаимодействия подсказк-образца. Просто положено, более жесткий образец переносит второй резонанс к более высокому значению пока более мягкий образец переносит его к более низкому значению. Это можно преобразовать в количественное измерение модуля через разнообразие механически модели (см., что усилие моделирует раздел).

Как с обычным режимом FM, AM-FM количественный метод где консервативные и неконсервативные взаимодействия подсказк-образца можно отделить. Где AM-FM отличает от FM что петля Z-Обратной Связи вполне decoupled от петли FM, оба значительно упрощая и стабилизируя деятельность.

Высокочастотная Модуляция Усилия

Используя держатель AM-FM консольный (Диаграмму 3), мы дышали новой жизнью в метод традиционной модуляции усилия. Этот консольный держатель позволяет модуляции усилия быть выполненным над широким диапазоном частот на высоких амплитудах. Таким Образом, новая высокочастотная модуляция усилия обеспечивает увеличенный и часто уникально различный контраст для того чтобы показать свойства образца механически с применениями в много новых областей (Диаграмме 2d).

Отображать Резонанса Контакта Вязко-эластический

Резонанс Вязко-эластический (CR) Отображая AFM Контакта метод режима контакта в котором образец сработан на частоте резонанса контакта для того чтобы произвести количественные измерения модуля пластичности (Диаграммы 4). Превращено в конец 90-х годов для пользы на очень жестких материалах (>50 GPa), методы CR первоначально включили измерения на фикчированное положение на образце. В последней декаде, методы CR были приспособлены для количественного воображения (отображать) модуля пластичности. В последних 2 или 3 летах, методы CR более добавочно были доработаны для пользы на более уступчивых материалах (модуле ~1 GPa до 10 GPa) и для измерений вязко-эластических свойств.

Наши собственнические Двойные методы Возбуждения Отслеживать (DART) и Диапазона Резонанса (BE) AC™ позволяют резонансу контакта быть imaged на высоких темпах на разнообразие образцах. На Диаграмму 4 показано изображение ДРОТИКА бленд полипропилена/полистироля 80/20. Потому Что и частота резонанса и фактор качества измерены с ДРОТИКОМ, мы можем обнаружить и разницы в упругости и разницы в диссипации.

Диаграмма 3. Держатель AM-FM консольный необходим для воображения AM-FM и также rejuvenated традиционный метод модуляции усилия при добавленная показанные возможность и более обширные применения (Cypher AM-FM Консольный Держатель). 

Диаграмма 4. Изображение резонанса контакта 4.5μm x 9μm cryotomed поверхности бленд полипропилена/полистироля 80/20. Высчитанный фактор Качества покрашенный на представленной топографии показан что внутри (a) и резонанс f0 контакта на топографии показан внутри (b). Дисплей зон PP и PS меньше контраста в f0 последовательном с малой разницей в их модулях навального хранения, пока сверхконтрастное в Q между PP и PS последовательно с большой разницей в их навальных модулях потери. Приспособлено от Gannepalli et Нанотехнологии al. 22 355705 (2011).

Вертикальное Nanoindenting

MFP NanoIndenter истинный оборудованный индентер и первый AFM-основанный индентер который не использует cantilevers как часть выделяя механизма. Эти характеристики и польза современных датчиков AFM обеспечивают существенные преимущества в точности, точности и чувствительности над другими nanoindenting системами. Не Похож На консольные индентеры, MFP NanoIndenter двигает выделяя перпендикуляр подсказки к поверхности. Это вертикальное движение во избежание боковые движение и ошибки которое своиственно в консольн-основанных системах. Сравнено к обычным имеющим на рынке оборудованным nanoindenters, MFP NanoIndenter предусматривает более низкие пределы обнаружения и более высокие измерения разрешения усилия и глубины вмятия при главная точность AFM воспринимая технологию.

Индентер вполне интегрирован при AFM, обеспечивая уникально способность квантифицировать площади контакта путем выполнять метрологию AFM обоих выделяя подсказка и приводя к вмятие (Диаграмма 5 и 6). Эти сразу измерения включают анализ материальных свойств с беспрецедентный точностью по отношению к косвенным методам вычисления. Конструкция использует пассивное возбуждение через монолитовое сгибание, уменьшая смещение и другое измерение ошибок глубокое.

Располагая точность в плоскости образца sub-нанометр используя датчики короткозамкнутого витка MFP-3D nanopositioning. Головка NanoIndenter использует предварительную огибани-лимитированную оптику соединенная с захватом изображения CCD для навигации точности подсказки к сферам интересов на образце.

Этот сильно количественный инструмент, совмещенный с лидирующий возможностями AFM, ломает новое основание в характеризации разнообразных материалов включая тонкие фильмы, покрытия, полимеры, биоматериалы, и много других.

Диаграмма 5. Вмятие на дентине (выйденном отказа) и эмали (правой). Вмятия в каждом рядке (один рядок объезжан) были всеми созданными с таким же максимальным усилием. Более малые indents на эмали демонстрируют что более трудно чем дентин, развертку 70µm. Соответствуя кривые усилия показаны в Диаграмме 6. учтивости D. Wagner и S. Cohen Образца, Институте Weizmann Науки. 

Диаграмма 6. кривые усилия Вмятия на эмали (левых комплекте кривых, более жестком) и дентине (правых комплекте кривых, более мягком). Изменчивость повинуется и реальным материальным влияниям изменения и площади контакта которые можно квантифицировать с изображениями AFM indents.

Кривые Усилия, Усилие Отображая и Моделирование Усилия

Кривые Усилия

Величина силы испытанная cantilever как подсказка зонда принесена к, в контакте с, и/или вытягивано далеко от поверхности образца как показано в Диаграмме 7 измеряет кривыми усилия. Этот процесс можно повторить на одиночном положении или по мере того как зонд двинут к различным положениям на поверхности образца как показано в Диаграмме 6.

Кривые Усилия использованы для рассматривать механически свойства материалов как прилипание, твердость и упругость так же, как характеристики химиката как сродство нескольких функциональных групп для других и intra и межмолекулярных скрепленных прочностей и складывать прочности.

Отображать Усилия

Отображать Усилия метод сбора информации который использован совместно с различными режимами анализа кривого усилия для визуализирования 2D распределения свойств образца. Для усилия отображая, XY блок кривых усилия принят на регулярно размечаемые интервалы через поверхность образца. Приводя к блок кривых усилия часто назван Карта Усилия или Том Усилия.

Пользователь сперва определяет сферу интересов, обычно или принимать развертку AFM области или оптически выравнивать зону развертки AFM с образцом. Установлены плотность Раз пожеланная блока размера и данных по (или, номер усилия изгибает в зону), XY piezo движения образец под кривыми подсказки и усилия приняты на определенные положения.

Данные сохранены как дискретные кривые усилия для более последнего анализа и различные режимы автоматизированного анализа можно после этого выполнить. Например, карту высоты можно высчитать от пункта пуска каждой кривого, карты прилипания можно высчитать от максимального пункта прилипания на каждом положении, и модели упругости могут быть прикладной к каждой кривому усилия. Прокладывать курс результаты анализа по мере того как 2D изображение псевдо-цвета. Это 2D изображение можно отрегулировать как раз как любое изображение AFM, и может также быть использовано для верхнего слоя с данными по топографии 3D или с оптически данными по микроскопии (Диаграммой 8). Это мощный метод, по мере того как оно позволяет для сразу корреляции функциональной информации к структурным данным.

Диаграмма 7. кривый Усилия показывая вмятие на гель полиакриламида. Подсказка AFM была выделена на субстрат геля полиакриламида используемый для культуры клетки. Гель был изготовлен для того чтобы иметь модуль PA приблизительно 700. Прикладывать модель Герцей (брошенную черную линию) к части вмятия кривого (красной) показывает измеренный модуль PA 720, в хорошем соответствии с предпологаемым значением.

Диаграмма 8. Отображать Усилия используемый для измерений свойства воображения и образца. Оптически изображение контраста участка клетки с консольный колебаться над им, и с оптически определенной зоной интереса (красной коробки) для отображать усилия показано внутри (a). После Того Как развертка AFM топографическая (b), карта усилия упругости была принята и была проанализирована используя модель Герцей (см. объяснение ниже) и значения модуля было прокладывать курс и показало как 2D изображение (c). Карта модуля была overlaid на изображение топографии AFM и была представлена в 3D используя ПО ARgyle Убежища внутри (d).

Диаграмма 9. Блок 16x16 кривых усилия был принят над зоной 20µm геля полиакриламида изготовленного на стеклянном coverslip. Возможность ПО ModeMaster™ Убежища встроенная была использована для того чтобы автоматизировать прием 3 отдельно карт усилия на такой же области. Скорость cantilever была поменяна (20µm, 2µm, и 0.2µm) между каждой картой усилия и была проконтролирована датчиком LVDT. Каждая кривый была приспособлена используя модель Герцей-Sneddon и такие же модельные предположения были использованы для каждого приспосабливать (автоматически выполнено в ПО анализа). Как Только каждая карта усилия была приспособлена, гистограммы Young модуля для каждого изображения были сделаны и были прокладывать курс на такой же оси. Гауссовая функция подбора кривой была использована для того чтобы определить значение среднего +/- стандартного отступления каждой серии modulii. Измерены данные предлагают когда только скорость поменяна, различные модули при использовании таких же моделируя параметров.

Моделирование Усилия

ПО AFM Убежища включает различные математически модели которые прикладной для того чтобы принудить данные по кривого определить свойства образца механически (например Диаграмму 7). Должно к большому разнообразию типов образца которые можно проанализировать с AFM, никакую модель можно использовать правильно для того чтобы определить свойства всех образцов. Более Потом, большинств модели полагаются на предположениях о подсказке, образце, или контакте подсказк-образца который может изменить среди различных образцов или, возможно более важно, даже через различные кривые усилия для такого же образца. Например, геометрия подсказки критическая анализируя данные по вмятия, поэтому различную геометрию можно моделировать (конус, сфера, пунш, угол кубика, Berkovich, etc…) определить большое разнообразие стандарта и доработанных подсказок AFM, в дополнение к оборудованному индентеру наклоняет. В каждой модели ПО Убежища позволяет для различных предположений быть доработанным как необходимо исследователем. Включите в ПО Убежища:

  • Герци/Модель Sneddon: Эта популярная модель прикладной к много образцов проанализированных AFM, и вообще использована когда приняты, что находит вмятие на полно эластичной, non-прилипатель, однородный материал (Диаграмма 7). Эта модель использована широко в биологии, где механически свойства клеток и их окружающая среда были найдены к функции влияния. На Диаграмму 9 показано гистограммы для 3 блоков 16x16 кривых усилия которые были приняты на 3 различные скорости над зоной 20µm геля полиакриламида изготовленного на стеклянном coverslip. Гауссовая функция подбора кривой была использована для того чтобы определить значение среднего +/- стандартного отступления каждой серии модулей. Данные предлагают что когда только скорость на которую данные были приняты поменяна, измерены различные модули при использовании таких же моделируя параметров.
  • Модель Оливера-Pharr: Использована Эта модель когда образец показывает перманентность, пластичная деформация. Она главным образом использована на данных полученных с оборудованными приборами вмятия как Исследование NanoIndenter Убежища. Она использована обширно в науках материалов.
  • Модель (JKR) Джонсон-Kendall-Roberts: Модель JKR использована когда сильный слипчивый контакт между подсказкой и образцом, и когда размер подсказки большие сравненный к вмятию на образце.
  • Модель (DMT) Derjaguin-Мюллера-Toporov: Модель DMT полезна для образцов которые имеют слабые но обнаруженные силы адгезии, и когда размер подсказки малые сравненный к вмятию образца. Как модель JKR, DMT начинает увидеть более широко распространённое применение к различному анализу площадей втпечатка.
  • Направляющий Выступ Модельного Выбора, включая индекс пластичности, коэффициент усилия/прилипания, и вычисление Коэффициента Табора.

Направляющий выступ модельного выбора Убежища исключительный анализирует различные параметры для того чтобы направить пользователя к самой соотвествующей механически модели для их данных. Например, когда прилипание подсказк-образца, ПО сообщит пользователя что модель Герцей не соотвествующая, и что модель которая включает прилипание должна быть использована. Высчитанные параметры выбора всегда показаны к пользователю так, что информированное решение можно сделать. Дополнительная деталь и примеры различного усилия моделируя методы обеспечены в другом месте.

Заключение

Как обсуженные, понятые nanomechanical свойства первостепенного значения для оценивать поведение и представление большого разнообразия промышленно, биологически и структурно важные материалы. Из-за сложности этих материалов, никакой инструмент не обеспечивает детальную и точную информацию необходим для этих оценк.

Набор инструментов NanomechPro для
Cypher Убежища и MFP-3D AFMs обеспечивает сюиту инструментов для того чтобы помочь исследователю рассмотреть и понять эти свойства nanoscale механически для широкого диапазона материалов - эти включают упругость, выкостность, прилипание, и усилия фургона der Waals, среди других. Различные инструменты NanomechPro комплементарны - каждый метод зондирует и записывает различные реакции ваших образцов. Эти инструменты можно часто использовать одновременно и несколько из этих методов собственническ к Исследованию Убежища, обеспечивающ исследователя с точной и точно выраженной информацией не доступной с любым другим инструментом.

О Исследовании Убежища

Исследование Убежища руководитель технологии в атомных усилии и микроскопии зонда скеннирования (AFM/SPM) как для материалов, так и для применений биологических наук. Основано в 1999, они компания имеемая работником предназначенная к новаторскому измерительному оборудованию для nanoscience и нанотехнология, с над 250 совмещенного летами опыта AFM/SPM среди нашего штата.

Их аппаратуры использованы для разнообразие применений nanoscience в материальной науке, физике, полимерах, химии, биоматериалах, и биологических науках, включая эксперименты по одиночной молекулы механически на ДНА, развёртке протеина и упругости полимера, так же, как измерениях усилия для биоматериалов, химического воспринимать, полимеров, коллоидных усилий, прилипания, и больше.

Эта информация найденный, расмотрена и приспособлена от материалов обеспеченных Исследованием Убежища.

Для больше информации на этом источнике, пожалуйста посетите Исследование Убежища.

Date Added: Sep 5, 2012 | Updated: Jan 11, 2013

Last Update: 11. January 2013 12:22

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit