この実験プロトコルは、原子間力顕微鏡がどのようにして真のナノメートルスケールでの硬さを測定し、単一の原子塑性イベントを検出するために使用できるかを説明しています。
この実験プロトコルは、原子間力顕微鏡がどのようにして真のナノメートルスケールでの硬さを測定し、単一の原子塑性イベントを検出するために使用できるかを説明しています。
この研究では、振幅変調された非接触原子間力顕微鏡法と原子間力分光法の組み合わせを、単一の塑性イベントの原子分解能を持つAu(111)表面の計装化された硬さ測定に適用します。力センサの選択、その校正、カンチレバーたわみ検出システムの校正、および正確で再現性のある力-距離測定のための機器ドリフトの最小化を含む、慎重な実験手順について説明します。また、記録された力-距離曲線から力-貫通曲線を抽出できるデータ解析の方法が提示されます。典型的な曲線は、最初の塑性イベント(ポップイン)まで、1〜2バーガーベクトルの範囲の長さで明確な弾性変形領域を示します。その後の可塑性事象も同じ大きさを示します。可塑性の仕事は、測定値からさらに抽出されます。最後に、硬度は、残りのくぼみの非接触原子間力顕微鏡画像を使用して、くぼみ曲線と組み合わせて決定されます。
過去150年間、硬度値は材料の機械的挙動を特徴づけ、さまざまな荷重条件下での性能を予測するために使用されてきました。材料の硬度は、硬い圧子の浸透に対するその表面の抵抗を表します。金属材料の場合、硬度は塑性流動に対する抵抗に関係します。
硬さ試験の実施は比較的容易であることが証明されていますが、得られた結果は長い間かなり経験的なものであり、調査された材料の本質的な特性を説明することができませんでした。硬さ試験結果の経験的性質は、さまざまな圧子形状を使用した結果であり、それぞれが異なる確立された硬度スケールを持っています。しかし、球状圧子のブリネル硬さ(HB)試験や、異なるタイプの四角錐のビッカース硬さ(HV)およびヌープ(HK)硬さ試験など、すべての経験的硬さスケールには共通点があります:硬さの数値は、残りの圧子の発達領域に対する適用荷重の比から決定されます。金属の硬度をその基本的な機械的特性に関連付ける試みとして、球状圧子で測定された硬度は、残りのくぼみの投影面積に対する加えられた荷重の比率として定義されています。この硬度値は、マイヤー硬度(H)とも呼ばれ、平均接触圧力に等しく、非加工硬化金属の降伏強度に直接関係しています1。
硬さ試験は長い間マクロスケールに限定されており、その場合、くぼみのサイズは光学的手段によって測定されてきました。力-変位曲線が記録される計装インデントの開発は、材料の硬度を決定するための貴重な代替手段として認識されていますが、残りのインデントのサイズが小さすぎて正確に画像化できない場合があります。この場合、インデントの投影面積は、いわゆる圧子面積関数2に従って先端変位から計算されます。この開発により、力-変位曲線の曲率の解析や、ポップイン形状の明確な塑性事象の発生の解析は、ナノインデンテーション3などによるマイクロメートルスケールでの塑性変形のメカニズムの研究に広く利用されるようになりました。
金属の塑性変形の担体、すなわち転位がナノメートルスケールで作動することはよく受け入れられています。それらの動作モードを原子レベルで理解するためには、原子分解能を持つ新しい実験技術が必要です。ナノメートルサイズの単一凹凸と異なる配向の単一結晶Au表面との間の界面における原子可塑性事象の初期調査は、界面力顕微鏡(IFM)4、5によって行われてきた。原子間力顕微鏡(AFM)インデンテーションは、KBr(100)単結晶6、Cu(100)7、およびAu(111)8、9の単一転位の核形成と滑走を観察するために適用されています。そこでは、原子論的可塑性事象がポップインの形で観察され、長さは1 Åの範囲でした。AFMインデンテーションは、マイカ10上に成長した金ナノアイランドのナノ硬度と弾性を測定するためにも使用されています。この研究では、ナノ硬度がバルク値よりも小さいことを発見し、インデンテーション領域に直線的に依存することが観察されました。また、ダイヤモンド先端サファイアカンチレバー11によるAFMインデントにより、溶融石英およびシリコンなどの硬質表面の硬さを決定するための詳細な測定プロトコルが提案されている。 特に、この方法は、大きなカンチレバー偏向12に対する感光性偏向検出器の非線形性を考慮に入れている。最近では、AFMインデンテーションと非接触AFMイメージングを組み合わせて、Pt(111)単結晶表面とPtベースの金属ガラス13の硬さと塑性変形の基本メカニズムを定量的に決定しています。Pt(111)については、ナノメートルスケールでの塑性変形メカニズムが、より大きなスケールで確立された離散メカニズムと一致することがわかりました。さらに、金属ガラスのナノメートルスケールの塑性変形は離散的ではなく、むしろ連続的で、インデントチップの周囲に高度に局在していることがわかりました。これらの結果から、金属ガラスはサイズ限界が低く、それ以下ではインデンテーションによってせん断変態機構が作動しないことが明らかになりました。AFMインデンテーションは、生物学的サンプル(コラーゲン原線維など)14、ポリマー15、およびコロイド結晶16の硬度値を決定するためにも使用されてきた。
現在の作業では、力センサーの選択、その較正、カンチレバー偏向検出システムの較正、および正確で再現性のある力-距離測定のための機器ドリフトの最小化を含む慎重な実験手順が説明されています。また、記録された力-距離曲線から力-貫通曲線を抽出できるデータ解析の方法が提示されます。さらに代表的な結果を示し、小体積の塑性変形の分野における最近の知見に照らして説明します。
この実験では、原子間力顕微鏡(AFM)を使用しました。AFMの基礎は、微細加工された力センサー(通常はカンチレバービーム)であり、先端には半径が数ナノメートルの範囲にある鋭い先端があります。この実験に使用した装置の特定の構成では、カンチレバーは圧電Zスキャナーに取り付けられ、調査対象のサンプルは圧電X/Yスキャナーに取り付けられます。AFMイメージング中、力センサーの先端をサンプル上でスキャンし、フックの法則に従ってカンチレバーのたわみをもたらすサンプル表面との相互作用力を登録します。カンチレバーの静的または動的なたわみは、レーザーダイオード、一連のミラー、およびカンチレバーのたわみを電圧に変換するフォトダイオードで構成される光ビームたわみ検出器で測定できます。イメージング中、フォトダイオードの信号はフィードバックループによって制御され、サンプル表面での相互作用力を維持します。これにより、Zスキャナーの位置が調整され、トポグラフィー画像として記録・表示されます。
>jove_content<以下で説明する実験の前提条件は、原子間力顕微鏡の圧電スキャナーが十分に校正されていること、および機器が実験室に一定の温度と湿度レベルで留まっていることです。読者は、原子間力顕微鏡のモデルによっては、実験手順のステップの一部を変更する必要がある場合があることに注意する必要があります。特に、すべての測定は、スキャナーの範囲を「小」に設定した後に実行されます。この機能により、X/Yスキャナーの範囲を5 x 5 μm²に、Zスキャナーの範囲を4 μmに縮小することが可能になり、小さなスケールでの解像度が保証されます。この機能は、すべての商用AFMで使用できるわけではなく、テキストの残りの部分で言及されていません。データ分析には、無料のSPMデータ分析ソフトウェアGwyddion17とMatlabソフトウェアパッケージ18の使用が推奨されます。
このプロトコルは、AFMによる計装化された硬さ測定を行うために従うべき実験手順の説明を提供します。市販のAFMの取り扱いはモデルごとに異なる場合があるため、詳細な設定手順とソフトウェア情報については、AFMメーカーが提供するマニュアルを参照してください。次のテキストでは、説明されている実験を再現するために、読者がここで使用される特定のAFMの取り扱いに精通していることを前提としています。
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1.インストゥルメンタルセットアップとキャリブレーション


2.試料の調製
注:THIで測定されたサンプルsの実験は、物理蒸着法によって雲母上に成長させた厚さ100nm、原子的に平滑な金(111)薄膜で構成されています。
3.測定手順
4.データ解析


、M S、Tはそれぞれ、サンプルの先端の押し込み弾性率であると。この場合には、適合パラメータであります
。 

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この研究では、カンチレバーkの曲げ剛性は、幾何学的なビーム理論19に従って算出しました。この作業で使用される特定のダイヤモンド被覆カンチレバーのために、我々はK = 55.69 N / mのを見つけました。我々はダイヤモンドコーティングを無視していることに注意してください。ダイヤモンドコーティングの厚さは、カンチレバーの厚さよりも小さい二桁のものであるので、(そのヤング率はシリコンのそれよりも有意に大きいが)かなりの曲げ剛性を増加させません。
試料の変形の影響を回避するために、フォトダイオードの感度は、ヤング率E = 759 GPaの22滑らかなナノ結晶ダイヤモンド表面に予め較正力センサを力-距離曲線を記録することによって決定しました。力信号は、(ボルト単位でphotodioの単位を記録しましたド信号)と、先端変形や損傷を避けるために、反発力の小さな範囲に...
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この方法は、ダイヤモンドコーティングされたAFMチップのAu(111)薄膜の表面上に一連のくぼみを行うために提示されています。非接触AFM画像及びAFMのインデントは、同一の力センサを用いて行きました。非接触イメージングのための要件は0,1≥180キロヘルツとAFMのインデントに高い品質係数Q≥300 fが高い第一の自由共振周波数であり、適用される垂直方向の力は、いくつかのマイクロニュートンの範囲でありますそして、高い曲げ剛性を有するカンチレバーが必要です。カンチレバー先端の付加的な要件は、機械的に安定であり、耐摩耗性であることです。これらの要件は、ダイヤモンド被覆カンチレバーによって満たされます。この実験では、タイプCDT-NCLRのカンチレバーを選択しました。
ここに示された結果は、十分に再現性があることが見出されています。具体的には、非接触AFM像における窪みの形状を測定担当者時不変ですetition、および対応する力 - 変位曲線は非常に良好なオーバーラップを示しています。しかし、良好な再現性を確保...
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著者らは開示するものは何もない。
A.C.は、KoreaTechの財政的支援に感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| AFM XE-100 | パークインスツルメンツ | 販売終了 | 原子間力顕微鏡 |
| CDT-NCLR | ナノセンサー | CDT-NCLR | 導電性ダイヤモンドコーティング非接触レバー |
| 100nm厚 Au(111) 薄膜 Mica | Phasis | 20020011 | 原子的に滑らかな金薄膜 |
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