Protocol
1.仪器设置和校准
- 仪器的建立
- 使用类型DT-NCLR或CDT的NCLR的僵硬金刚石涂层悬臂具有第一自由共振频率f 0,1≥180千赫，一个品质因数Q≥300和弯曲刚度ķ≥40牛顿/米。
- 装入选定悬臂上通过AFM制造商提供的夹紧座。要特别小心放置的悬臂，使得其长轴垂直于AFM的快速扫描方向。另外，胶悬臂梁上用双组分环氧胶的原子力显微镜制造商提供的悬臂支架。
- 安装悬臂支架上AFM头，并使用通常可用的AFM系统的光学显微镜集中于AFM悬臂。仔细检查悬臂的长轴垂直于快速扫描方向。如果没有，回去第1.1.2节。
- 对准的激光束，以便它在悬臂的端部反射。监视在光电二极管上的电压总和，并进行微调，以最大限度地提高和信号。典型的和信号的值是在2伏的范围内
- 调整反射镜的水平和垂直的倾斜角度，以便使反射的激光点进入光电二极管，其中，对应于垂直和横向位移的电压几乎为零的中心。
- 校准
- 执行一个频率扫描，以确定所述第一自由弯曲谐振F中的悬臂的0,1。
- 确定悬臂k的弯曲刚度，根据19计算出
（1）
其中E是杨氏模量，L为悬臂的长度，w是cantil的宽度以往，t是其厚度。为此目的，测量由光学显微镜或扫描电子显微镜的悬臂的长度和宽度具有更高的精度。从其第一自由弯曲共振频率计算悬臂的厚度˚F0,1，根据
（2）
其中ρ是质量密度。 - 选择用于特定悬臂型的光电二极管的灵敏度的缺省值以用于在AFM中的设置菜单中的实验。通过点击按钮的方式带来悬臂尖端与参考样本接触的负荷F N = 10 NN。
- 打开在AFM软件的力谱菜单和与z扫描器的相对缩回和延伸设置为50nm，并且在z扫描器缩回/延伸至0.3微米/秒。这样，力 - 距离曲线的记录会由第一与z扫描器至50纳米从样品表面离开，然后一系列相同的距离的方法和撤消的回缩。
- 记录与在1.2.4建议在光滑和不符合要求的表面所设置的参数，如纳米晶金刚石或蓝宝石的力距离曲线，以避免样品变形效果。要做到这一点点击在AFM软件的力量光谱菜单中的采集按钮。
- 适合的力 - 距离曲线的推斥力部分具有线性函数，在AFM中软件的校准菜单。嵌合线的逆斜率对应于光电二极管灵敏度S。通过点击执行校准按钮代替确定的值，以在AFM软件的校准菜单仪器软件的默认值。
2.样品制备
注：THI测量样品小号实验由一个100-nm厚，原子级平滑的Au（111）薄通过物理气相沉积生长在云母膜构成。
- 装入样品到由双面碳胶带的装置由仪器制造商提供的磁性样品架。为了避免在测量过程中样品的漂移，装入样品一天测量之前，以便让碳胶带放松。可替代地，安装样本上银漆，通常在几分钟之内干燥的持有人。
- 安装磁性样品架到X / Y扫描仪。
3.测量步骤
- 略设定振荡频率偏共振（在此实验中F = 190.67千赫），并在A = 20纳米注振荡幅度，这些数值是由仪器软件此特定悬臂自动设置。 在设定点 = 5纳米手动设置振荡设定点。
- 画悬臂朝向使用原子力显微镜的步进电机样品表面。确保该力传感器不与样品表面碰撞。请重点悬臂粗进近过程中，并停止粗的办法之前，样品表面是在完美的焦点。
- 通过点击的方式按钮自动接近力传感器。一旦振荡幅度已经达到其设定点，尖端准备扫描样品表面的形貌。
- 上记录的区域范围从5×5到1×1平方微米的一系列地形图像（如果有的话，通过倾斜的x / y扫描器调整地形信号的斜率）。确保同一地区的连续图像不显示漂移的迹象，而且Z扫描器位置几乎保持不变。如果不是这种情况下，继续成像直到系统已经稳定。
- 一旦系统已经稳定，平滑的1×1平方微米面积已经发现，收回的F奥尔塞通过点击回缩按钮传感器从样品表面上的几微米。
- 选择在仪器菜单的力谱模式和移动力传感器预选1×1平方微米区域的中间，以10nm的力设定点。监视的z扫描器的位置，直到它保持不变。
- 选择，其中心对应于预选1×1平方微米区域的中心点的2×2的网格。在500nm设置两个下相邻点之间的距离。
- 设置相对扫描器的距离为0到150纳米，在300纳米/秒的速度变化，并随后缩回过相同的距离，并以相同的速度。给定悬臂的倾斜角相对于所述样品表面上，由一个垂直扫描器扩展Z，其中φ是倾斜角20期间移动由Z横向扫描器×黄褐色φ施加倾斜校正。
注：一些研究所ruments占其力光谱法或压痕模式悬臂倾斜;这是在这项工作中使用的原子力显微镜的情况。 - 按下仪器软件启动按钮，开始收购AFM压痕数据。
- 一旦AFM压痕测量已经完成时，缩回力传感器从样品表面几微米远。
- 选择在仪器软件菜单的非接触型的AFM模式成像和重复在第3.1和3.2中描述的方法。
- 执行过相同的1×1平方微米面积的扫描如第3.3节，以找到缩进的精确位置。在一个500×500纳米2表面积进一步的表面扫描，可以更详细地进行图像其余缩进。
4.数据分析
- 图像处理
- 处理所记录的形貌的图像，以便使其在快速扫描目录的线基于中值差挠度。使用Gwyddion的内置函数。
- 计算投影面积使用Gwyddion的压痕分析功能缩进的页 。
- 通过使用Gwyddion的尖端分析功能估算缩进的地形图像针尖形状。然后平均尖端形图像，并测量平均前端形状的半开口角α。
- 通过根据13计算尖端位移δ转换力-距离曲线生效位移曲线
（3）
其中Z是相对的扫描仪的位置。 - 现在，绘制力与尖端位移。所得曲线通常显示所谓弹出插件，与长度在几个100微米的范围内，对应于原子可塑性事件。使用第一个THES的Ë弹出插件，以确定在弹性限度δEL 4尖端位移。
- 适合与赫兹功能21的力-位移曲线的弹性部分。
（4）
其中R是尖端半径和E'*是弹性模量减小，由下式给出
，其中M S，T是样品和尖端的压痕模，分别。在这种情况下，拟合参数是
。 - 延伸拟合函数成可塑性制度，以便从拟合函数和实验曲线21之间的面积差来计算塑性W¯¯ 可塑性的工作。
- 根据1计算样品的硬度，2
（5）
和
（6）
其中，F N，max是最大施加载荷，A p是在4.2节计算缩进的投影面积，α是在4.3节算出的末端的半开度角，δ 埃尔处于第一可塑性尖端位移事件， 最大 δ是最大位移尖（参见4.4节）。
，其中M S，T是样品和尖端的压痕模，分别。在这种情况下，拟合参数是
。 
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Representative Results
在这项工作中，悬臂k的弯曲刚度根据几何梁理论19计算。在这项工作中所用的特定金刚石涂覆悬臂，我们发现K = 55.69牛顿/米。需要注意的是我们忽略了金刚石涂层;金刚石涂层的厚度是一个数量级比悬臂厚度小两个数量级，因此不显著增加其弯曲刚度（虽然它的杨氏模量是比硅的显著大）。
为了避免样品变形的影响，光电二极管的灵敏度，通过用与杨氏模量E = 759 GPA 22光滑纳米晶金刚石表面的先前校准的力传感器记录的力-距离曲线来确定。力信号被记录了伏的单位（在photodio单位德信号）并用，以避免尖的变形和损坏的小范围排斥力。然后力-距离曲线的推斥力部分装有一个线性函数，逆斜率的对应于光电二极管灵敏度S。在这个特定的实验中，将光电二极管的灵敏度被确定为S = 23.903毫微米/ V。光电二极管的线性响应的假设被限制为当悬臂的基部位移是小于500nm。对于较大的位移Z，需要光敏检测器的非线性被认为，在这种情况下，ZV PD响应是一个三阶多项式12。为校准，基地位移设定为50纳米，而在我们的实验中，基座的位移为150nm。在这些情况下，我们考虑光电二极管的响应是线性的。
图 1： 一个金薄膜表面的表面形貌 （左）的5×5微米2非接触式AFM形貌图像和1.25×1.25微米2的Au薄膜表面区域上显示微米尺寸的（右）谷物，每一个展品组成的大露台和单原子步骤的原子级平整金（111）面。 请点击此处查看该图的放大版本。
图1示出了金薄膜表面的非接触式的AFM的地形成像。薄膜表面被发现包含在微米范围内的晶粒的。每个晶粒组成的大露台和单原子步骤的原子级平整金（111）面。 图2显示了压痕过程中造成的凹痕通过用7.2μN的最大垂直力AFM针尖测量施加在相同的Au（111）的薄膜表面如图1中。另外，在成像区域之间的形貌差异之前和之后在不同位置的一系列的四个凹槽显示在如图2（c）。值得注意的是，所有剩余的缩进怎么同样的目光。这种相似性证明了尖端的稳定性和测量的再现性。
图2： 在一个原子级平滑金薄膜表面的AFM缩进 （a）在1×1 平方微米的Au薄膜表面选择用于AFM压痕测量区域的非接触式的AFM形貌图像。 （b）如（一）连续四个AFM压痕测定值后的相同表面积的非接触式的AFM形貌图像urements最多一个垂直力F N = 7.2μN。 （a）和（b）以图像之间（ 三 ）地形差异。 （D - F）的（b）中所示的三个独立的AFM缩进非接触式原子力显微镜的地形图像。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3： 在一个原子级平滑金薄膜表面的AFM缩进的投影面积的计算 （左）在图2所示个人AFM凹痕的非接触式AFM的地形图（右）相同地形图像作为在左侧。裁剪后面板和用于计算使用免费的SPM数据分析软件Gwyddion投影面积的重叠掩模。该凸出ected区域被发现的p = 4703.52纳米2;这会产生一个硬度值H = AFM 1.53 GPA。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3显示的步骤由与相对于unmarred表面负形貌值掩蔽的区域，以确定一个缩进的投影面积。从该测量中，缩进的投影面积被发现是p = 4703.52纳米2·。缩进用的最大负荷F N进行，最大 = 7.2μN（ 见图4）。因此，该硬度可被计算为
。测得的p -值很可能是由尖卷积效果杜里被低估在卸23，另一方面纳克成像，一方面，通过弹性恢复作用。
图4： 从由AFM测得的力-距离曲线压痕曲线 （a）由原子力显微镜上的原子级平滑的Au薄膜表面测得的力-距离曲线的典型装载部。 （b）按照等式（3）（蓝线）与弹性部分的赫兹拟合（红线）到第一观察的可塑性事件力-位移曲线计算（弹出中）在F N = 0.908μN，具有尖端位移δ 埃尔 = 3.786纳米（第一个弹出式中的长度测量为λ 弹出中 = 543时）根据公式（4）。相应的配合的参数被确定为是eq10.jpg“/>，其中R是压头半径和E *为弹性模量减小。注意，赫兹拟合曲线延伸超出弹性范围，以便从之间的集成差计算塑性W¯¯ 可塑性的工作赫兹拟合曲线和实验结果; W-- 可塑性 = 11.44×10 -15 J.（ 三 ）连续四个力渗透曲线系列（ 四 ）（b）显示弹出所示的力量渗透曲线的放大图。在几个100分（箭头所示）的长度范围插件。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4显示了由AFM测得的力-距离曲线计算压痕曲线。这是重要注意曲线的重叠，这进一步证明了测量的再现性。在图4（b）中 ，从一个力-距离曲线计算出的力-位移曲线（ 图4（a））的根据等式（3）装有赫兹拟合（方程（4））在其弹性部。从以F n中的第一个可观察到的塑性事件（弹出中），埃尔 = 0.908μN并在尖端位移δ 埃尔 = 3.786纳米（第一个弹出式中的长度来确定的弹性极限被测量为λ 弹出在 543 =时）。相应的配合的参数被确定为是
，其中R是压头半径和E *为弹性模量减小。虽然它可能是诱人提取的拟合参数黄金压痕模数m 的Au（111），前端尖半径，金刚石涂层针尖压痕模还存在不确定性。在原则上，压头性质可以通过缩进上校准样品进行校准。金（111）的压痕模的确定超出了本工作的范围。假设对Au的弹性模量（111） 电子金 = 80 GPA，泊松比ν 金 = 0.45，和提示E NC-钻石 = 759 GPA和νNC-钻石 = 0.003，我们从计算尖端半径R≈1纳米。派生值太低是可信的，因为文献已经指出。 8.已经表明金属的弹性模量，表面区域10附近减小英寸使用文献中所建议的值。 8（E = 30 GPA），我们得到R = 5.5纳米。另外，在图4中使用的赫兹拟合函数（二）取球形尖端几何形状。然而，这个假设仅适用于缩进尖， 即非常先端，用于弹性形变政权内尖端位移。如下面看到的那样，对于较大的位移，尖端可以不再被认为是球形的，而是类似于一个Berkovich压小费。进一步注意到赫兹拟合曲线延伸超出弹性范围，以便计算可塑性的工件W从赫兹拟合曲线和实验结果21之间的积分差值可塑性 ; W-- 可塑性 = 11.44×10 -15 J. 如图4所示力渗透曲线的放大图，（b），进一步表明了该方法的出色的分辨率来检测单原子可塑性活动的弹出式的幅度为黄金汉堡的矢量的顺序相同的长度。
此外，AFM针尖的形状是从非CON估计圆通AFM图像， 如图2（D - f）中 ，使用游离的SPM数据分析软件Gwyddion（ 见图5的（a - c））的 。接着，一个平均尖端形状计算，从中测定压头的半开度角为α= 67.21°（ 见图5的（d））。连同图4中所示的尖端的位移值，硬度值
被确定，其中，δ 最大值 = 18（nm）是最大尖端位移。这两种硬度计算提供几乎相同的值：H 金（111）= 1.5的GPA。这一结果是在用金的薄膜报道值相符如通过纳米压痕测量， 高度镍/金 = 1 - 2.5 GPA 24,25在Au AFM缩进期间，在第一塑性事件的平均压力（111）已发现是 12“SRC =”/文件/ ftp_upload / 54706 / 54706eq12.jpg“/> GPA 4。从我们的实验值，并与所估计的尖端半径一起，我们发现
13.7 GPA。此值对应于临界剪切应力
21从我们的数据，我们发现，τ= 6.3的GPA，这是价值被阿森霍等[8]发现的范围，但比在以前的研究中，发现了更大的其中τ= 1.7 - 3.4 GPA 4，26， 27，但是，该值是由假定尖端半径的较低值高估，这是合理的假设，在第一塑性事件临界剪切应力是由理论强度τ 西奥，凹 = 4.3 GPA界。
/ftp_upload/54706/54706fig5.jpg“/>
图 5： 提示重建从AFM凹痕非接触的AFM的地形成像上的原子级平滑金薄膜表面 （ - C） 图2中所示从所述非接触式的AFM图像计算重建的尖端形状（四-六）使用免费的SPM分析软件Gwyddion。 （ - c进行）（ 四 ）从在示出的图像场均前端形状。从（d）中，压头的半开口角被确定为α= 67.21°;与图4中所示的尖端的位移值，硬度值一起被确定，其中F N，最大 = 7.2μN是最大垂直力和最大 δ= 18纳米的最大端位移。PG“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
的方法，已提出了用金刚石涂覆AFM针尖上的Au（111）执行一系列压痕薄膜表面。非接触式的AFM成像和原子力显微镜压痕用相同的力传感器进行的。用于非接触成像的要求是很高的第一自由共振频率f 0,1≥180千赫和高品质因数Q≥300。在AFM压痕，要施加的垂直力在几个微牛顿的范围内，并具有高的弯曲刚度悬臂是必需的。该悬臂刀片的附加要求是，它是机械上稳定的和耐磨。这些要求是由金刚石涂层悬臂实现。在该实验中，被选择的类型的CDT-NCLR的悬臂。
此处呈现的结果被发现是良好的重现性。特别是，在非接触AFM图像缩进的形状是在测量代表不变etition，以及相应的力 - 位移曲线显示非常好的重叠。然而，为确保良好的再现性，重要的是最小化的工具的热漂移和扫描器蠕变作用。这可以通过让缩进之前和通过随后监测扫描器的位置，直到它不显著改变图像扫描期间仪器稳定来实现。漂移和蠕变效应还可以通过以高位移速率执行所述位移控制缩进被最小化。在所提出的实验中，位移速度为300纳米/秒。此外，一些仪器允许通过减少最大适用电压在z扫描器的范围内的降低。如果有的话，这个选项应该被选中，因为扫描仪稳定时，其位移范围减少。
如上所证实，所提出的技术是适宜的，以评估软箱的机械性能技援等软质材料，如聚合物。该技术优于常规压痕技术，如纳米压痕的优点，来自更高深度 - 和力分辨率AFM仪器和来自压头的尺寸减小了完全允许单原子可塑性事件的观察和用于测定在真正的纳米尺度的硬度。另一方面，对于具有高水平的硬度的样品，几何形状可以根据测量变化，使得不同的测量之间的直接比较困难。在金属的情况下，一个金刚石涂覆AFM针尖已证明在若干系列凹槽11提供于不同的样品重复的结果。一个典型的力 - 位移曲线是装有其弹性体制内赫兹功能，并进一步延伸到计算可塑性的工作。的压痕模对Au（111）的提取，但是，仍然不确定的，因为无论是radiu■在尖端顶点也不金刚石涂覆电极头的压痕模是足够精确表征。然而，这种限制的澄清已经超出了工作范围。
由于尖卷积影响，凹痕面积趋于AFM成像过程中被低估，所以出现技术提供略微高估值硬度11。这种技术可以适用于薄膜，其中所述压痕深度应保持比胶片厚度小十倍，以避免衬底效应的测量。
最后，在实验过程在真实的纳米尺度可重复测量硬度并观察单个原子的可塑性事件已经呈现。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| AFM XE-100 | Park Instruments | discontinued | Atomic force microscope |
| CDT-NCLR | NanoSensors | CDT-NCLR | Conductive diamond coated non-contact lever |
| 100 nm thick Au(111) thin film on Mica | Phasis | 20020011 | atomically smooth gold thin film |
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