Quantitative Härtemessung durch Instrumented AFM-Einzug

Zusammenfassung

Dieses experimentelle Protokoll beschreibt, wie die Rasterkraftmikroskopie verwendet werden kann, um die Härte auf der echten Nanometerskala zu messen und einzelne atomare Plastizitätsereignisse zu detektieren.

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine Kombination aus amplitudenmodulierter berührungsloser Rasterkraftmikroskopie und Rasterkraftspektroskopie für instrumentierte Härtemessungen an einer Au(111)-Oberfläche mit atomistischer Auflösung einzelner Plastizitätsereignisse angewendet. Es wird ein sorgfältiges experimentelles Verfahren beschrieben, das die Auswahl des Kraftsensors, seine Kalibrierung, die Kalibrierung des Cantilever-Auslenkungserkennungssystems und die Minimierung der instrumentellen Drift für genaue und reproduzierbare Kraft-Weg-Messungen umfasst. Außerdem wird eine Methode zur Datenanalyse vorgestellt, die es ermöglicht, Kraft-Eindring-Kurven aus aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurven zu extrahieren. Eine typische Kurve zeigt ein klares elastisches Verformungsregime bis zum ersten Plastizitätsereignis oder Pop-In mit einer Länge im Bereich von ein bis zwei Burger-Vektoren. Spätere Plastizitätsereignisse weisen die gleiche Größenordnung auf. Die Arbeit der Plastizität wird weiter aus den Messungen extrahiert. Abschließend wird die Härte in Kombination mit der Eindruckkurve mittels berührungsloser Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen der verbleibenden Vertiefungen bestimmt.

Einleitung

In den letzten 150 Jahren wurden Härtewerte verwendet, um das mechanische Verhalten von Materialien zu charakterisieren und ihre Leistung unter verschiedenen Belastungsbedingungen vorherzusagen. Die Härte eines Materials beschreibt den Widerstand seiner Oberfläche gegen das Eindringen eines härteren Eindringkörpers. Bei metallischen Werkstoffen bezieht sich die Härte auf den Widerstand gegen plastisches Fließen.

Obwohl sich die Durchführung der Härteprüfung als relativ einfach erwiesen hat, waren die erzielten Ergebnisse lange Zeit eher empirisch, so dass sie nicht in der Lage waren, die intrinsischen Eigenschaften des untersuchten Materials zu beschreiben. Der empirische Charakter der Ergebnisse der Härteprüfung ist eine Folge der Verwendung verschiedener Eindringkörpergeometrien, von denen jede eine unterschiedliche festgelegte Härteskala hat. Eines haben jedoch alle empirischen Härteskalen, wie z.B. die Brinell-Härte (HB) für kugelförmige Eindringkörper und die Vickers- (HV) und Knoop-Härteprüfungen (HK) für verschiedene Arten von vierseitigen Pyramiden, gemeinsam: Die Härtezahl wird aus dem Verhältnis der aufgebrachten Last zur entwickelten Fläche des verbleibenden Eindrucks bestimmt. In dem Versuch, die Härte von Metallen mit ihren grundlegenden mechanischen Eigenschaften in Beziehung zu setzen, wurde die mit einem kugelförmigen Eindringkörper gemessene Härte als das Verhältnis der aufgebrachten Last zur projizierten Fläche des verbleibenden Eindrucks definiert. Dieser Härtewert, auch Meyer-Härte (H) genannt, entspricht dem mittleren Anpressdruck und steht in direktem Zusammenhang mit der Streckgrenze von nicht kaltverfestigenden Metallen¹.

Die Härteprüfung war lange Zeit auf die Makroskala beschränkt, in diesem Fall wurden die Größen der Eindrücke mit optischen Mitteln gemessen. Die Entwicklung des instrumentierten Eindrucks, bei dem Kraft-Weg-Kurven aufgezeichnet werden, hat sich als wertvolle Alternative zur Bestimmung der Härte eines Materials erwiesen, obwohl die Größe des verbleibenden Eindrucks zu klein sein kann, um genau abgebildet zu werden. In diesem Fall wird aus der Spitzenverschiebung die projizierte Fläche des Eindrucks nach einer sogenannten Eindringkörper-Flächenfunktion² berechnet. Aufgrund dieser Entwicklung wird die Analyse der Krümmung von Kraft-Weg-Kurven und des Auftretens von ausgeprägten Plastizitätsereignissen in Form von Pop-Ins heute in großem Umfang eingesetzt, um die Mechanismen der plastischen Verformung auf der Mikrometerskala zu untersuchen, wie z.B. mittels Nanoindentation³.

Es ist allgemein anerkannt, dass die Träger der plastischen Verformung in Metallen, d.h. Versetzungen, auf der Nanometerskala arbeiten. Um ihre Wirkungsweisen auf atomarer Ebene zu verstehen, sind neue experimentelle Techniken mit atomarer Auflösung erforderlich. Erste Untersuchungen von atomistischen Plastizitätsereignissen an den Grenzflächen zwischen nanometergroßen Einzelunebenheiten und einkristallinen Au-Oberflächen unterschiedlicher Orientierung wurden mittels Grenzflächenkraftmikroskopie (IFM)^{4, 5} durchgeführt. Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurde angewendet, um die Keimbildung und das Gleiten einzelner Versetzungen in den KBr(100)-Einkristallen⁶, Cu(100)⁷ und Au(111)^{8, 9} zu beobachten. Dort wurden atomistische Plastizitätsereignisse in Form von Pop-Ins mit Längen im Bereich von 1 Å beobachtet. Die AFM-Indentation wurde auch verwendet, um die Nanohärte und -elastizität von Gold-Nanoinseln zu messen, die auf Glimmer^{10 gezüchtet} wurden. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass die Nanohärte kleiner als der Volumenwert ist und linear von der Eindringfläche abhängt. Außerdem wurde ein detailliertes Messprotokoll vorgeschlagen, um die Härte von harten Oberflächen, wie Quarzglas und Silizium, durch AFM-Eindringung mit einem diamantbestückten Saphir-Cantilever-11 zu bestimmen. Insbesondere berücksichtigt dieses Verfahren die Nichtlinearität der lichtempfindlichen Ablenkungsdetektoren für große Cantilever-Auslenkung¹². In jüngerer Zeit wurden die AFM-Indentation und die berührungslose AFM-Bildgebung kombiniert, um die Härte und die grundlegenden Mechanismen der plastischen Verformung einer einkristallinen Pt(111)-Oberfläche und eines Pt-basierten metallischen Glases¹³ quantitativ zu bestimmen. Für Pt(111) wurde festgestellt, dass die plastischen Verformungsmechanismen auf der Nanometerskala mit den diskreten Mechanismen übereinstimmen, die für größere Skalen etabliert wurden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die plastische Verformung des metallischen Glases im Nanometerbereich nicht diskret, sondern kontinuierlich und stark um die eindrückende Spitze herum lokalisiert ist. Diese Ergebnisse zeigten eine untere Größengrenze für metallische Gläser, unterhalb derer Schertransformationsmechanismen nicht durch Einkerbung aktiviert werden. Die AFM-Indentation wurde auch verwendet, um die Härtewerte von biologischen Proben (wie Kollagenfibrillen)¹⁴, Polymeren¹⁵ und kolloidalen Kristallen¹⁶ zu bestimmen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein sorgfältiges experimentelles Verfahren beschrieben, das die Auswahl des Kraftsensors, seine Kalibrierung, die Kalibrierung des Cantilever-Auslenkungserkennungssystems und die Minimierung der instrumentellen Drift für genaue und reproduzierbare Kraft-Weg-Messungen umfasst. Außerdem wird eine Methode zur Datenanalyse vorgestellt, die es ermöglicht, Kraft-Eindring-Kurven aus aufgezeichneten Kraft-Weg-Kurven zu extrahieren. Weitere repräsentative Ergebnisse werden vor dem Hintergrund neuerer Erkenntnisse auf dem Gebiet der plastischen Verformung kleiner Volumina vorgestellt und diskutiert.

Für dieses Experiment wurde ein Rasterkraftmikroskop (AFM) verwendet. Der Eckpfeiler eines AFM ist sein mikrofabrizierter Kraftsensor (in der Regel ein Cantilever-Strahl) mit einer scharfen Spitze am Ende, deren Radius im Bereich von mehreren Nanometern liegt. In der speziellen Konfiguration des Instruments, das für dieses Experiment verwendet wird, ist der Cantilever auf einen piezoelektrischen z-Scanner montiert, während die zu untersuchende Probe auf einen piezoelektrischen x/y-Scanner montiert ist. Bei der AFM-Bildgebung wird die Spitze des Kraftsensors über eine Probe abgetastet, um Wechselwirkungskräfte mit der Probenoberfläche zu registrieren, die nach dem Hookeschen Gesetz zu einer Auslenkung des Cantilevers führen. Die statische oder dynamische Ablenkung des Cantilevers kann mit einem optischen Strahlablenkdetektor gemessen werden, der aus einer Laserdiode, einem Satz Spiegel und einer Fotodiode besteht, die die Cantilever-Ablenkung in eine Spannung umwandelt. Während der Bildgebung wird das Signal an der Fotodiode durch eine Rückkopplungsschleife gesteuert, um die Wechselwirkungskräfte an der Probenoberfläche zu halten; Daraus ergeben sich Anpassungen der Position des Z-Scanners, die aufgezeichnet und als Topographiebild angezeigt werden.

Voraussetzungen für das unten beschriebene Experiment sind, dass die piezoelektrischen Scanner des Rasterkraftmikroskops gut kalibriert sind und dass das Instrument im Labor bei konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit bleibt. Der Leser sollte sich darüber im Klaren sein, dass je nach Modell des Rasterkraftmikroskops einige der experimentellen Verfahrensschritte modifiziert werden müssen. Insbesondere werden alle Messungen durchgeführt, nachdem die Reichweiten der Scanner auf "klein" eingestellt wurden. Diese Funktion ermöglicht die Reduzierung des X/Y-Scanner-Bereichs auf 5 x 5 μm² und des Z-Scanner-Bereichs auf 4 μm, was eine Auflösung bei kleinen Maßstäben gewährleistet. Diese Funktion ist nicht auf allen kommerziellen Fluggeräten verfügbar und wird im Rest des Textes nicht erwähnt.

Für die Datenanalyse wird die Verwendung der kostenlosen SPM-Datenanalysesoftware Gwyddion¹⁷ und des Matlab-Softwarepakets¹⁸ empfohlen.

Dieses Protokoll gibt eine Beschreibung des experimentellen Verfahrens, das zu befolgen ist, um instrumentierte Härtemessungen mit AFM durchzuführen. Da sich die Handhabung verschiedener kommerzieller Frequenzumrichter von Modell zu Modell unterscheiden kann, sollte der Leser das vom Hersteller des Umlaufbildsystems bereitgestellte Handbuch lesen, um detaillierte Einstellverfahren und Softwareinformationen zu erhalten. Um das beschriebene Experiment reproduzieren zu können, wird im folgenden Text davon ausgegangen, dass der Leser mit der Handhabung des hier verwendeten AFM vertraut ist.

Protokoll

1. Instrumental Set-up und Kalibrierung

1. Instrumental Set-up
   1. Verwenden Sie einen steifen diamantbeschichteten Ausleger des Typs DT-NCLR oder CDT-NCLR mit einer ersten Frequenz frei Resonanz f _0,1 ≥ 180 kHz, einen Gütefaktor Q ≥ 300 und einer Biegesteifigkeit k ≥ 40 N / m.
   2. Montieren Sie den ausgewählten Ausleger auf einem Klemmhalter von der AFM-Herstellers. Besondere Vorsicht den Cantilever zu platzieren, so dass seine Längsachse zu der schnellen Abtastrichtung des AFM senkrecht. Alternativ kleben Sie den Ausleger auf einen Halter Ausleger von der AFM-Herstellers Zweikomponenten-Epoxid-Kleber verwendet wird.
   3. Montieren Sie den Cantileverhalters auf die AFM Kopf und verwenden Sie den optischen Mikroskop normalerweise verfügbar mit dem AFM-System auf der AFM Cantilever zu konzentrieren. Überprüfen Sie, dass die Längsachse des Auslegers senkrecht zur Schnellscanrichtung ist. Wenn nicht, gehen Sie zurück zuAbschnitt 1.1.2.
   4. Richten des Laserstrahls, so dass er am Ende des Auslegers reflektiert wird. Überwachen Sie die Spannungssumme an der Photodiode und führen Sie eine Feineinstellung des Summensignals zu maximieren. Typische Summensignal-Werte liegen im Bereich von 2 V.
   5. Einstellen der horizontalen und vertikalen Neigungswinkel des Spiegels, um das reflektierte Laserfleck in der Mitte der Photodiode zu bringen, wo die Spannungen, die an die vertikale und seitliche Verschiebung entspricht nahezu Null.
2. Kalibrierung
   1. Führen Sie einen Frequenz - Sweep die erste freie Biegeresonanz f _0,1 des Auslegers zu bestimmen.
   2. Bestimmung der Biegesteifigkeit des Auslegers k, berechnet nach ¹⁹
      (1)
      wobei E der Elastizitätsmodul ist, L die Länge des Auslegers, w die Breite des cantil istje, und t ist die Dicke. Dazu messen die Länge und Breite des Auslegers durch optische Mikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie für eine bessere Genauigkeit. Berechnen der Dicke des Auslegers aus seiner ersten Frequenz freie Biegeresonanz f _0,1, entsprechend
      (2)
      wobei ρ die Massendichte.
   3. Wählen Sie den Standardwert der Photodiode Empfindlichkeit für den jeweiligen Auslegertyp werden für das Experiment im Setup-Menü des AFM verwendet. Bringen Sie die Cantileverspitze in Kontakt mit der Referenzprobe bei einer Last F _n = 10 nN durch den Ansatz Knopf klicken.
   4. Öffnen Sie die Kraftspektroskopie-Menü in der AFM-Software und stellen Sie die relative Ein- und Ausfahren der z-Scanner bis 50 nm und die z-Scanner Rückzug / Erweiterung auf 0,3 & mgr; m / sec. Dadurch könnte die Aufzeichnung der Kraft-Weg-Kurve, die Verteiler,bestehen zunächst aus einem Zurückziehen der z-Scanner 50 nm von der Probenoberfläche entfernt und dann aus einer Reihe von Ansätzen und Einziehungen der gleichen Entfernung.
   5. Nehmen Sie eine Kraftabstandskurve mit den eingestellten Parametern vorgeschlagen in 1.2.4 auf einer glatten und nicht-konforme Oberfläche, wie nanokristalline Diamant oder Saphir, um Probenverformungseffekte zu vermeiden. Dazu klicken Sie auf die Schaltfläche Acquire in der Kraftspektroskopie - Menü der AFM - Software.
   6. Den abstoßend Teil der Kraft-Weg-Kurve mit einer linearen Funktion, im Kalibrierungsmenü der AFM-Software. Die inverse Steigung der Fittinglinie entspricht der Photodiode Empfindlichkeit S. Ersetzen Sie den ermittelten Wert auf den Standardwert der Gerätesoftware im Kalibrierungsmenü der AFM - Software durch die Kalibrierungstaste ausführen klicken.

2. Probenvorbereitung

HINWEIS: Die Probe wird in thi gemessens Experiment besteht aus einer 100 nm dicken, atomar glatten Au (111) dünnen Film auf Mica gewachsen durch physikalische Dampfabscheidung.

1. Montieren Sie die Probe auf einem magnetischen Probenhalter zur Verfügung gestellt vom Hersteller des Instruments mittels eines doppelseitigen Kohlenstoffband. Um Drift der Probe während der Messungen zu vermeiden, montieren Sie die Probe einen Tag vor den Messungen, um die Kohlenstoffband entspannen zu lassen. Alternativ montieren Sie die Probe auf den Halter mit Silberfarbe, die in der Regel innerhalb von wenigen Minuten trocknet.
2. Montieren Sie den Magnetprobenhalter auf die x / y-Scanner.

3. Messverfahren

1. Stellen Sie die Schwingungsfrequenz leicht off-resonance (in diesem Experiment f = 190,67 kHz) und der Schwingungsamplitude bei A = 20 nm zu beachten , dass diese Werte automatisch durch die Gerätesoftware für diese bestimmte Cantilevers eingestellt. Stellen Sie den Schwingungssollwert manuell auf einem _Soll = 5 nm.
2. Zeichnender Ausleger in Richtung auf die Probenoberfläche den Schritt-Motor des AFM verwendet. Stellen Sie sicher, dass der Kraftsensor nicht mit der Probenoberfläche kollidiert. Halten Sie den Ausleger im Fokus während der groben Annäherung und die grobe Annäherung zu stoppen, bevor die Probenoberfläche in perfekter Bildschärfe ist.
3. Ansatz automatisch den Kraftsensor durch auf dem Ansatz Knopf klicken. Sobald die Schwingungsamplitude ihren Sollwert erreicht hat, ist die Spitze bereit, um die Topographie der Probenoberfläche abzutasten.
4. Nehmen Sie eine Reihe von Topographie Bilder auf Flächen im Bereich von 5 x 5 bis 1 x 1 um² (falls vorhanden, stellen Sie die Neigung des Topographie-Signal durch das Kippen x / y-Scanner). Stellen Sie sicher, dass aufeinanderfolgende Bilder des gleichen Bereichs zeigen keine Zeichen von Drift und dass die z-Scannerposition bleibt nahezu konstant. Ist dies nicht der Fall ist, weiterhin Abbildungs ​​bis das System stabilisiert hat.
5. Sobald sich das System stabilisiert hat und eine glatte 1 x 1 um² Bereich gefunden wurde, ziehen sich die force Sensor wenige Mikrometer von der Oberfläche der Probe auf der Rückzugs - Taste anklicken.
6. Wählen Sie die Kraftspektroskopie-Modus im Gerätemenü und bewegen Sie den Kraftsensor auf der Mitte des vorgewählten 1 x 1 um² Bereich, mit einer Kraft-Sollwert von 10 nm. Überwachen der Position des z-Abtaster, bis sie konstant bleibt.
7. Wählen Sie die 2 x 2 Punktraster, dessen Mittelpunkt entspricht dem Zentrum der vorgewählten 1 x 1 um² Fläche. Die Entfernung zwischen zwei benachbarten Punkten nächsten bei 500 nm.
8. Stellen Sie den relativen Abstand scanner 0-150 nm zu variieren bei einer Geschwindigkeit von 300 nm / sec und dann zurückziehen über den gleichen Abstand und mit der gleichen Geschwindigkeit. Gegeben gelten den Neigungswinkel des Auslegers in Bezug auf die Probenoberfläche, eine Neigungskorrektur durch den seitlichen Scanner durch Z × tan φ Bewegen während eines vertikalen Scanners Verlängerungs Z, wobei φ der Neigungswinkel ^20.
   HINWEIS: Ein paar instruments Konto für den Ausleger Neigung in ihrer Kraftspektroskopie oder Einrückungsmodus; dies ist der Fall für die AFM in dieser Arbeit verwendet.
9. Drücken Sie die Start-Taste in der Gerätesoftware den Erwerb der AFM Einzug von Daten zu beginnen.
10. Sobald die AFM Indentationsmessungen abgeschlossen haben, fahren Sie das Kraftsensor wenige Mikrometer von der Probenoberfläche entfernt.
11. Wählen Sie den berührungslosen AFM-Modus-Bildgebung in der Gerätesoftware-Menü und wiederholen Sie den beschriebenen Verfahren in den Abschnitten 3.1 und 3.2.
12. Führen Sie einen Scan über den gleichen 1 x 1 um² Oberfläche, wie in Abschnitt 3.3, um die genaue Position der Einzüge zu lokalisieren. Weitere Oberflächenscans über einen 500 x 500 nm² Oberfläche kann die verbleibenden Einzüge mit näher Bild durchgeführt werden.

4. Datenanalyse

1. Bildverarbeitung
   1. Verarbeiten Sie die aufgezeichneten Bilder Topographie, um die Linien in der Schnellscan dir ausrichtenEIL basierend auf mittlere Differenz. Verwenden Sie die integrierte Funktion von Gwyddion.
2. Berechnen Sie die projizierte Fläche A _p von Einrückungen die Vertiefung Analysefunktion von Gwyddion verwenden.
3. Schätzen Sie die AFM - Spitze Form der Topographiebilder von Einrückungen durch die Spitze Analysefunktion von Gwyddion verwenden. Dann Mittelwert der Spitzenform Bilder und messen Sie die Halböffnungswinkel α der gemittelten Spitzenform.
4. Konvertieren Sie die Kraft-Weg - Kurven in Kraft- Weg -Kurven , die durch die Spitze Verschiebung Berechnung δ gemäß ¹³
   (3)
   wobei Z die relative Scannerposition.
5. Nun zeichnen Sie die Kraft gegenüber der Spitze Verschiebung. Die resultierende Kurve zeigt in der Regel so genannte Pop-Ins, mit Längen im Bereich von mehreren 100 pm, die auf atomistischen Plastizität Ereignisse entsprechen. Verwenden Sie die erste von these Pop-Ins die Spitze Verschiebung an der Elastizitätsgrenze δ _el ⁴ zu bestimmen.
6. Den elastischen Teil der Kraft- Weg -Kurve mit der Hertzian Funktion ^21.
   (4)
   wobei R der Spitzenradius und E ^'* der reduzierte Elastizitätsmodul, gegeben durch Mit M _{s, t} die Einbuchtung Modul der Probe und der Spitze ist, respectively. In diesem Fall ist die Fitparameter .
7. Verlängern Sie die Anpassungsfunktion in die Plastizität Regime , um die Arbeit der Plastizität W _Plastizität von der Flächendifferenz zwischen der Anpassungsfunktion und der experimentellen Kurve ²¹ zu berechnen.
8. Berechne die Härte der Probe nach ^{1, 2}
   (5)
   und
   (6)
   wobei F _n, die maximale _max Last angelegt ist, ist A _p die projizierte Fläche des in Abschnitt berechnet Gedankenstrich 4.2, α der halbe Öffnungswinkel der Spitze in Abschnitt 4.3, δ _el ist die Spitze Verschiebung bei der ersten Plastizität berechnet ist Ereignis und δ _max ist die maximale Spitze Verschiebung (siehe Abschnitt 4.4).

Ergebnisse

In dieser Arbeit wurde die Biegesteifigkeit des Auslegers k berechnet sich nach der geometrischen Balkentheorie ^19. Für die spezielle diamantbeschichteten Ausleger in dieser Arbeit verwendeten, fanden wir k = 55,69 N / m. Beachten Sie, dass wir die Diamantbeschichtung vernachlässigt; die Dicke der Diamantschicht beträgt ein bis zwei Größenordnungen kleiner als der Auslegerdicke und damit nicht signifikant seine Biegesteifigkeit nicht erhöht (obwohl seine Elas...

Diskussion

Es wurde ein Verfahren zum Durchführen einer Reihe von Vertiefungen auf einer Au (111) Dünnfilmoberfläche mit einem Diamantbeschichtetes AFM-Spitze dargestellt. Berührungslos AFM-Bildgebung und AFM Vertiefung wurden mit dem gleichen Kraftsensor ausgeführt. Die Anforderungen für die berührungslose Bildgebung eine hohe erste freie Resonanzfrequenz f _0,1 ≥ 180 kHz und einem hohen Qualitätsfaktor Q ≥ 300. In AFM Vertiefung sind, die vertikale Kraft im Bereich von mehreren Mikronewton angewendet ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
AFM XE-100	Park Instruments	abgekündigt	Rasterkraftmikroskop
CDT-NCLR	NanoSensors	CDT-NCLR	Leitfähiger, diamantbeschichteter, berührungsloser Hebel
100 nm dicker Au(111)-Dünnfilm auf Glimmer-Phasis		20020011	atomar glatter Gold-Dünnfilm