Misurazione della durezza quantitativa da Instrumented AFM-indentazione

Sommario

Questo protocollo sperimentale descrive come la microscopia a forza atomica può essere utilizzata per misurare la durezza su scala nanometrica reale e per rilevare singoli eventi di plasticità atomistica.

Abstract

In questo lavoro, una combinazione di microscopia a forza atomica senza contatto modulata in ampiezza e spettroscopia di forza atomica viene applicata per misure di durezza strumentate su una superficie Au(111) con risoluzione atomistica di singoli eventi di plasticità. Viene descritta un'attenta procedura sperimentale che include la selezione del sensore di forza, la sua calibrazione, la calibrazione del sistema di rilevamento della deflessione a sbalzo e la minimizzazione della deriva strumentale per misure forza-distanza accurate e riproducibili. Inoltre, viene presentato un metodo per l'analisi dei dati che consente l'estrazione di curve forza-penetrazione da curve forza-distanza registrate. Una curva tipica mostra un chiaro regime di deformazione elastica fino al primo evento di plasticità, o pop-in, con una lunghezza nell'intervallo da uno a due vettori di Burger. Gli eventi di plasticità successivi mostrano la stessa grandezza. Il lavoro di plasticità è ulteriormente estratto dalle misurazioni. Infine, la durezza viene determinata in combinazione con la curva di indentazione utilizzando immagini di microscopia a forza atomica senza contatto delle indentazioni rimanenti.

Introduzione

Negli ultimi 150 anni, i valori di durezza sono stati utilizzati per caratterizzare il comportamento meccanico dei materiali e per prevedere le loro prestazioni in varie condizioni di carico. La durezza di un materiale descrive la resistenza della sua superficie alla penetrazione di un penetratore più duro. Per i materiali metallici, la durezza si riferisce alla resistenza al flusso plastico.

Sebbene l'implementazione del test di durezza si sia dimostrata relativamente facile, i risultati ottenuti sono stati a lungo piuttosto empirici, rendendoli incapaci di descrivere le proprietà intrinseche del materiale studiato. La natura empirica dei risultati delle prove di durezza è stata una conseguenza dell'uso di varie geometrie del penetratore, ognuna delle quali ha una diversa scala di durezza stabilita. Tuttavia, tutte le scale di durezza empiriche, come il test di durezza Brinell (HB) per penetratori sferici e i test di durezza Vickers (HV) e Knoop (HK) per diversi tipi di piramidi a quattro lati, hanno una cosa in comune: il numero di durezza è determinato dal rapporto tra il carico applicato e l'area sviluppata dell'impronta rimanente. Nel tentativo di mettere in relazione la durezza dei metalli con le loro proprietà meccaniche fondamentali, la durezza misurata con un penetratore sferico è stata definita come il rapporto tra il carico applicato e l'area proiettata dell'impronta rimanente. Questo valore di durezza, noto anche come durezza di Meyer (H), è uguale alla pressione media di contatto ed è direttamente correlato al carico di snervamento^{dei metalli non} incrudibili1.

Il test di durezza è stato a lungo limitato alla macro-scala, nel qual caso le dimensioni delle impronte sono state misurate con mezzi ottici. Lo sviluppo di indentazioni strumentate, in cui vengono registrate le curve forza-spostamento, è stato riconosciuto come una valida alternativa per determinare la durezza di un materiale, anche se la dimensione dell'indentazione rimanente può essere troppo piccola per essere ripresa con precisione. In questo caso, l'area proiettata dell'impronta viene calcolata dallo spostamento della punta secondo una cosiddetta funzione dell'area del penetratore². A causa di questo sviluppo, l'analisi della curvatura delle curve forza-spostamento e del verificarsi di distinti eventi di plasticità sotto forma di pop-in è ora ampiamente utilizzata per studiare i meccanismi di deformazione plastica su scala micrometrica, ad esempio per mezzo della nanoindentazione³.

È ben accettato che i portatori di deformazione plastica nei metalli, cioè le dislocazioni, operano su scala nanometrica. Per comprendere le loro modalità di funzionamento a livello atomico, sono necessarie nuove tecniche sperimentali con risoluzione atomica. Le indagini iniziali sugli eventi di plasticità atomistica alle interfacce tra singole asperità di dimensioni nanometriche e singole superfici cristalline di Au di diverso orientamento sono state condotte mediante microscopia a forza interfacciale (IFM)^{4, 5}. La indentazione al microscopio a forza atomica (AFM) è stata applicata per osservare la nucleazione e lo scorrimento di singole dislocazioni nei singoli cristalli KBr(100)⁶, Cu(100)⁷ e Au(111)^{8, 9}. Lì, sono stati osservati eventi di plasticità atomistica sotto forma di pop-in, con lunghezze nell'intervallo di 1 Å. L'indentazione AFM è stata utilizzata anche per misurare la nano-durezza e l'elasticità della nano-isola d'oro coltivata su mica¹⁰. In questo lavoro, la nano-durezza è risultata essere inferiore al valore di massa ed è stato osservato che dipende linearmente dall'area di indentazione. Inoltre, è stato proposto un protocollo di misurazione dettagliato per determinare la durezza di superfici dure, come il quarzo fuso e il silicio, mediante indentazione AFM con un cantilever in zaffiro con punta di diamante¹¹. In particolare, questo metodo tiene conto della non linearità dei rilevatori di deflessione fotosensibili per grandi deflessioni a sbalzo¹². Più recentemente, l'indentazione AFM e l'imaging AFM senza contatto sono stati combinati per determinare quantitativamente la durezza e i meccanismi fondamentali della deformazione plastica di una singola superficie cristallina Pt(111) e di un vetro metallico a base di Pt¹³. Per Pt(111), i meccanismi di deformazione plastica su scala nanometrica sono risultati coerenti con i meccanismi discreti stabiliti per scale più grandi. Inoltre, la deformazione plastica su scala nanometrica del vetro metallico è risultata non essere discreta, ma piuttosto continua e altamente localizzata attorno alla punta di rientranza. Questi risultati hanno rivelato un limite dimensionale inferiore per i vetri metallici, al di sotto del quale i meccanismi di trasformazione a taglio non vengono attivati dall'indentazione. L'indentazione AFM è stata utilizzata anche per determinare i valori di durezza di campioni biologici (come fibrille di collagene)¹⁴, polimeri¹⁵ e cristalli colloidali¹⁶.

Nel presente lavoro, viene descritta un'attenta procedura sperimentale che include la selezione del sensore di forza, la sua calibrazione, la calibrazione del sistema di rilevamento della deflessione a sbalzo e la minimizzazione della deriva strumentale per misurazioni accurate e riproducibili della forza-distanza. Inoltre, viene presentato un metodo per l'analisi dei dati che consente l'estrazione di curve forza-penetrazione da curve forza-distanza registrate. Ulteriori risultati rappresentativi sono mostrati e discussi alla luce delle recenti scoperte nel campo della deformazione plastica di piccoli volumi.

Per questo esperimento, è stato utilizzato un microscopio a forza atomica (AFM). La pietra angolare di un AFM è il suo sensore di forza micro-fabbricato (di solito una trave a sbalzo), con una punta affilata all'estremità il cui raggio è nell'ordine di diversi nanometri. Nella particolare configurazione dello strumento utilizzato per questo esperimento, il cantilever è montato su uno z-scanner piezoelettrico, mentre il campione da indagare è montato su uno x/y-scanner piezoelettrico. Durante l'imaging AFM, la punta del sensore di forza viene scansionata su un campione per registrare le forze di interazione con la superficie del campione che provocano una deflessione del cantilever secondo la legge di Hooke. La deflessione statica o dinamica del cantilever può essere misurata con un rilevatore ottico di deflessione del fascio, costituito da un diodo laser, una serie di specchi e un fotodiodo che converte la deflessione del cantilever in una tensione. Durante l'imaging, il segnale al fotodiodo è controllato da un anello di retroazione in modo da mantenere le forze di interazione sulla superficie del campione; Ciò si traduce in regolazioni della posizione dello Z-scanner, che vengono registrate e visualizzate come immagine topografica.

I prerequisiti per l'esperimento descritto di seguito sono che gli scanner piezoelettrici del microscopio a forza atomica siano ben calibrati e che lo strumento rimanga in laboratorio a un livello costante di temperatura e umidità. Il lettore deve essere consapevole che, a seconda del modello di microscopio a forza atomica, potrebbe essere necessario modificare alcune delle fasi della procedura sperimentale. In particolare, tutte le misurazioni vengono eseguite dopo aver impostato le distanze degli scanner su "piccolo"; Questa funzione consente di ridurre la portata dello scanner X/Y a 5 x 5 μm² e la portata dello scanner Z a 4 μm, garantendo una risoluzione su piccola scala. Questa funzione non è disponibile su tutti gli AFM commerciali e non è menzionata nel resto del testo.

Per l'analisi dei dati, si consiglia l'uso del software gratuito di analisi dei dati SPM Gwyddion¹⁷ e del pacchetto software Matlab¹⁸.

Questo protocollo fornisce una descrizione della procedura sperimentale da seguire per eseguire misure di durezza strumentate mediante AFM. Poiché la gestione dei diversi AFM commerciali può differire da un modello all'altro, il lettore dovrebbe fare riferimento al manuale fornito dal produttore dell'AFM per le procedure di impostazione dettagliate e le informazioni sul software. Nel testo seguente, al fine di riprodurre l'esperimento descritto, si presume che il lettore abbia familiarità con la gestione del particolare AFM qui utilizzato.

Protocollo

1. strumentale di set-up e calibrazione

1. Strumentale set-up
   1. Utilizzare un cantilever diamantata rigido del tipo DT-NCLR o CDT-NCLR con una prima frequenza di risonanza libera f _0,1 ≥ 180 kHz, un fattore di qualità Q ≥ 300, ed una rigidezza flessionale k ≥ 40 N / m.
   2. Montare il cantilever selezionato su un supporto di fissaggio fornito dal produttore AFM. Fare particolare attenzione a posizionare il cantilever tale che il suo asse lungo è perpendicolare alla direzione di scansione veloce del AFM. In alternativa, incollare la sbalzo su un supporto a sbalzo fornito dal produttore AFM utilizzando colla epossidica bicomponente.
   3. Montare il supporto a sbalzo sulla testa AFM e utilizzare il microscopio ottico normalmente disponibile con il sistema di AFM di concentrarsi sul cantilever AFM. Doppia verificare che lungo l'asse della cantilever è perpendicolare alla direzione di scansione veloce. In caso contrario, tornare aSezione 1.1.2.
   4. Allineare il raggio laser in modo che si riflette alla fine del cantilever. Monitorare la somma tensione sul fotodiodo e condurre una regolazione fine di massimizzare il segnale somma. valori del segnale somma tipici sono dell'ordine di 2 V.
   5. Regolare angoli di inclinazione orizzontale e verticale dello specchio in modo da portare il punto laser riflessa verso il centro del fotodiodo, in cui le tensioni corrispondenti allo spostamento verticale e laterale sono quasi zero.
2. Calibrazione
   1. Eseguire una scansione di frequenza per determinare la prima piegatura di risonanza libera f _0,1 del cantilever.
   2. Determinare la rigidezza flessionale del cantilever k, calcolato secondo ¹⁹
      (1)
      dove E è il modulo di Young, L è la lunghezza del cantilever, w è la larghezza del cantilmai, e t è il suo spessore. A tal fine, misurare la lunghezza e la larghezza del cantilever mediante microscopia ottica o microscopia elettronica a scansione per una migliore precisione. Calcolare lo spessore del cantilever dalla sua prima frequenza di piegatura libera di risonanza f _0,1, secondo
      (2)
      dove ρ è la densità di massa.
   3. Selezionare il valore predefinito della sensibilità fotodiodo per il particolare tipo cantilever da utilizzare per l'esperimento nel menu di impostazione della AFM. Portare la punta a sbalzo in contatto con il campione di riferimento con un carico F _n = 10 nN facendo clic sul pulsante approccio.
   4. Aprire il menu spettroscopia di forza nel software AFM e impostare la retrazione relativa e l'estensione della z-scanner a 50 nm e la z-scanner retrazione / estensione a 0,3 um / sec. In questo modo, la registrazione della curva di forza-distanza saràconsistono prima di una retrazione della z-scanner a 50 nm dalla superficie del campione e poi di una serie di approcci e retrazioni della stessa distanza.
   5. Registrare una curva di forza distanza con i parametri impostati suggerite in 1.2.4 su una superficie liscia e non conforme, come il diamante nano-cristallina o zaffiro, al fine di evitare effetti di deformazione del campione. Per farlo clicca sul pulsante acquisiscono, nel menu di spettroscopia di forza del software AFM.
   6. Montare la parte repulsiva della curva forza-distanza con una funzione lineare, nel menu di calibrazione del software AFM. La pendenza inversa della linea raccordo corrisponde alla sensibilità fotodiodo S. Sostituire il valore determinato al valore di default del software dello strumento nel menu di calibrazione del software AFM facendo clic sul pulsante Esegui calibrazione.

Preparazione 2. campione

NOTA: Il campione misurato in this esperimento consiste di un 100-nm di spessore, atomicamente liscia Au (111) a film sottile cresciuto su mica da deposizione di vapore fisico.

1. Montare il campione su un campione di supporto magnetico fornito dal costruttore dello strumento per mezzo di nastro biadesivo carbonio. Al fine di evitare spostamenti del campione durante le misurazioni, montare il campione un giorno prima delle misure, in modo da lasciare il nastro carbonio rilassarsi. In alternativa, montare il campione sul supporto con vernice argento, che di solito si asciuga in pochi minuti.
2. Montare il supporto del campione magnetico sullo scanner x / y.

3. Procedura di misurazione

1. Impostare la frequenza di oscillazione leggermente fuori risonanza (in questo esperimento f = 190.67 kHz) e l'ampiezza di oscillazione in A = 20 nm di notare che questi valori vengono impostati automaticamente dal software dello strumento per questo particolare a sbalzo. Impostare il set point di oscillazione manualmente in un _set-point = 5 nm.
2. Disegnareil cantilever verso la superficie del campione utilizzando il motore passo-passo del AFM. Assicurarsi che il sensore di forza non si scontrano con la superficie del campione. Mantenere il cantilever a fuoco durante approccio grossolano e fermare l'approccio di massima prima che la superficie del campione è a fuoco perfetta.
3. Avvicinarsi automaticamente il sensore di forza facendo clic sul pulsante di approccio. Quando l'ampiezza di oscillazione ha raggiunto il set point, la punta è pronto per la scansione la topografia della superficie del campione.
4. Registrare una serie di immagini topografiche sulle zone da 5 x 5 a 1 x 1 μm² (se disponibile, regolare la pendenza del segnale topografia inclinando il x / y-scanner). Assicurarsi che le immagini successive della stessa zona non mostrano alcun segno di deriva e che la posizione z-scanner rimane quasi costante. Se questo non è il caso, continuare l'imaging finché il sistema si è stabilizzato.
5. Una volta che il sistema si è stabilizzato e un liscio 1 x 1 zona μm² è stato trovato, ritrarre il fOrce sensore di pochi micrometri dalla superficie del campione facendo clic sul pulsante di ritrazione.
6. Selezionare la modalità spettroscopia di forza nel menu dello strumento e spostare il sensore di forza al centro del preselezionato 1 x 1 zona μm², con un set-point di 10 nm forza. Monitorare la posizione del z-scanner finché non rimane costante.
7. Selezionare la griglia 2 x 2 di punti il ​​cui centro corrisponde al centro della prescelta 1 x 1 zona μm². Impostare la distanza tra due punti vicini prossimi a 500 nm.
8. Impostare la distanza dello scanner relativa variare da 0 a 150 nm ad una velocità di 300 nm / sec e quindi ritrarre alla medesima distanza e alla stessa velocità. Data l'angolo di inclinazione del cantilever in relazione alla superficie del campione, applicare una correzione di inclinazione muovendo scanner lateral Z × tan φ durante una verticale estensione scanner Z, dove φ è l'angolo di inclinazione ^20.
   NOTA: Alcuni instruments rappresentano l'inclinazione a sbalzo nella loro modalità di rientro spettroscopia di forza o; questo è il caso per l'AFM usato in questo lavoro.
9. Premere il pulsante di avvio del software dello strumento per iniziare l'acquisizione dei dati AFM di rientro.
10. Una volta che le misurazioni AFM indentazione sono state completate, ritrarre il sensore di forza di pochi micrometri di distanza dalla superficie del campione.
11. Selezionare la modalità di imaging AFM senza contatto nel menu software dello strumento e ripetere la procedura descritta nelle sezioni 3.1 e 3.2.
12. Eseguire una scansione sulla stessa 1 x 1 superficie μm² come nella sezione 3.3 in modo da individuare la posizione esatta dei trattini. Ulteriori scansioni superficiali oltre a 500 x 500 nm² superficie possono essere eseguite per l'immagine restanti trattini con maggiore dettaglio.

Analisi 4. I dati

1. L'elaborazione delle immagini
   1. Elaborare le immagini topografiche registrate in modo da allineare le linee nel dir scansione rapidaessione sulla base di differenza mediana. Utilizzare la funzione built-in di Gwyddion.
2. Calcolare l'area proiettata A _p di rientri utilizzando la funzione di analisi rientro di Gwyddion.
3. Stimare la forma della punta AFM dalle immagini topografia di trattini utilizzando la funzione di analisi punta di Gwyddion. Poi la media le immagini forma della punta e misurare la mezza apertura dell'angolo α della forma della punta media.
4. Convertire le curve forza-distanza in curve forza-spostamento calcolando lo spostamento punta δ secondo a ¹³
   (3)
   dove Z è la posizione dello scanner relativa.
5. Ora, tracciare la forza contro lo spostamento punta. La curva risultante visualizza solitamente cosiddetti pop-in, con lunghezze nell'intervallo vari 100 pm, che corrispondono a eventi plasticità atomistiche. Utilizzare la prima toglie pop-in per determinare lo spostamento punta al limite elastico δ _el ^4.
6. Montare la parte elastica della curva forza-spostamento con la funzione di Hertz ^21.
   (4)
   dove R è il raggio della punta ed E ^'* è il modulo di elasticità ridotta, in Con M _{s, t} essendo il modulo rientro del campione e della punta, rispettivamente. In questo caso, il parametro è calzata .
7. Estendere la funzione inseriscono nel regime plasticità in modo da calcolare il lavoro della plasticità W _plasticità dalla differenza tra la funzione areale forma e la curva sperimentale ^21.
8. Calcolare la durezza del campione secondo ^{1, 2}
   (5)
   e
   (6)
   dove F _{n, max} è il carico massimo applicato, A _p è l'area proiettata del trattino calcolata nella sezione 4.2, α è l'angolo della punta calcolata nella sezione 4.3 semiapertura, δ _el è lo spostamento punta al primo plasticità evento, e δ _max è lo spostamento punta massima (vedere paragrafo 4.4).

Risultati

In questo lavoro, la rigidità alla flessione del cantilever k è stato calcolato secondo la teoria fascio geometrica ^19. Per la particolare sbalzo diamantato utilizzato in questo lavoro, abbiamo trovato k = 55.69 N / m. Si noti che abbiamo trascurato il rivestimento di diamante; lo spessore del rivestimento diamantato è uno a due ordini di grandezza inferiore allo spessore sbalzo e quindi non aumenta significativamente la sua rigidità alla flessione (sebbene m...

Discussione

Un metodo è stato presentato per l'esecuzione di una serie di dentellature su Au (111) superficie film sottile con una punta AFM diamantata. l'imaging AFM senza contatto e AFM rientro sono stati eseguiti con lo stesso sensore di forza. I requisiti per l'imaging senza contatto sono una prima frequenza di risonanza alta libera f _0,1 ≥ 180 kHz e un alto fattore di qualità Q ≥ 300. In AFM rientranza, la forza verticale da applicare è nell'intervallo di alcuni microorganismi newto...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
AFM XE-100	Park Instruments	fuori produzione	Microscopio a forza atomica
CDT-NCLR	NanoSensors	CDT-NCLR	Leva senza contatto rivestita di diamante conduttivo
sottile Au(111) di spessore 100 nm su Mica	Phasis	20020011	film sottile d'oro atomicamente liscio