Artykuł metodologiczny

Nowatorska metoda elektromechanicznej charakterystyki próbek w nanoskali in situ

DOI:

10.3791/55735

⸱

2 czerwca 2017

 ,  , 
1Materials Science and Technology Division, US Naval Research Laboratory, 2American Society for Engineering Education—Naval Research Laboratory (ASEE-NRL), 3Leidos Corporation

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Izolowanie elektrycznych i termicznych efektów na elektrycznie wspomagane deformacje (EAD) jest bardzo trudne przy użyciu makroskopowych próbek. Opracowano mikro- i nanostruktury próbek metalicznych wraz z niestandardową procedurą testową w celu oceny wpływu przyłożonego prądu na powstawanie bez ogrzewania dżuli i ewolucję dyslokacji na tych próbkach.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deformacja wspomagana elektrycznie (EAD) jest coraz częściej wykorzystywana do poprawy formowalności metali podczas procesów takich jak walcowanie blach i kucie. Przyjęcie tej techniki postępuje pomimo braku zgody co do mechanizmu leżącego u podstaw EAD. Opisana w niniejszym dokumencie procedura eksperymentalna umożliwia bardziej jednoznaczne badanie w porównaniu z poprzednimi badaniami EAD poprzez usunięcie efektów termicznych, które są odpowiedzialne za niezgodność w interpretacji poprzednich wyników EAD. Ponadto, ponieważ opisana tutaj procedura umożliwia obserwację EAD in situ i w czasie rzeczywistym w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM), jest lepsza od istniejących metod pośmiertnych, które obserwują efekty EAD po badaniu. Próbki testowe składają się z folii z miedzi monokrystalicznej (SCC) z wolnostojącym przekrojem do próby rozciągania o grubości w nanoskali, wytwarzanej przy użyciu kombinacji frezowania laserowego i wiązki jonów. SCC jest zamontowany na wytrawionej silikonowej podstawie, która zapewnia mechaniczne wsparcie i izolację elektryczną, służąc jednocześnie jako radiator. Stosując tę geometrię, nawet przy dużej gęstości prądu (~3 500 A/mm2), sekcja testowa doświadcza znikomego wzrostu temperatury (<0,02 °C), eliminując w ten sposób efekty ogrzewania Joule'a. Monitorowanie deformacji materiału i identyfikowanie odpowiadających im zmian w mikrostrukturach, np. dyslokacji, odbywa się poprzez pozyskiwanie i analizowanie serii obrazów TEM. Nasze procedury przygotowania próbek i eksperymentów in situ są solidne i wszechstronne, ponieważ można je łatwo wykorzystać do badania materiałów o różnych mikrostrukturach, np. miedzi jedno- i polikrystalicznej.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deformacja wspomagana elektrycznie (EAD) jest użytecznym narzędziem do procesów deformacji metali, takich jak kucie, tłoczenie, wytłaczanie, itp. Proces EAD polega na doprowadzeniu prądu elektrycznego przez metalowy przedmiot obrabiany podczas odkształcania, co znacznie poprawia odkształcalność metalu poprzez zmniejszenie naprężeń przepływu, zwiększenie odkształceń do uszkodzenia, a czasem wyeliminowanie sprężynowania po uformowaniu1,2,3. Pomimo wzrostu jego zastosowania, nie ma zgody co do mechanizmu, za pomocą którego EAD poprawia plastyczność metalu. W artykule opisano przygotowanie próbki i procedurę testową dla eksperymentu, w którym możliwe jest wyizolowanie potencjalnie konkurencyjnych mechanizmów EAD i umożliwienie badania mikrostrukturalnego in situ podczas testów.

Istnieją dwie hipotezy dotyczące wpływu EAD na formowanie metali. Pierwsza hipoteza, efekt ogrzewania Joule'a, mówi, że przyłożony prąd napotyka opór elektryczny w formowanym metalu, powodując wzrost temperatury i prowadząc do mięknienia i rozszerzania się materiału. Druga hipoteza jest określana jako elektroplastyczność, w której prąd elektryczny zwiększa odkształcenie poprzez obniżenie energii aktywacji przemieszczenia. Obie te hipotezy powstały w wyniku eksperymentów z lat siedemdziesiątych XX wieku obejmujących krótkotrwałe impulsy prądowe stosowane do metali odkształcających się mechanicznie4,5. Nowsze badania zazwyczaj obejmują impulsy prądu stałego o niższym natężeniu, które są bardziej istotne dla zastosowań produkcyjnych, ale naukowcy nadal nie zgadzają się w interpretacji danych EAD.

Interpretacja danych EAD jest trudna ze względu na wysoce sprzężony charakter stosowanego prądu elektrycznego i rosnącej energii cieplnej. Nawet małe gęstości prądu w metalach o wysokiej przewodności mogą znacznie podnieść temperaturę materiału; np. 130-240 °C o gęstości prądu 33-120 A/mm2 dla różnych stopów aluminium i miedzi 6,7,8,9. Ta zmiana temperatury może znacząco wpłynąć na moduł sprężystości, granicę plastyczności i naprężenie przepływu, co utrudnia rozróżnienie efektów termicznych i elektroplastyczności. Podkreślając tę trudność, ostatnie badania potwierdzają hipotezę ogrzewania Joule'a lub hipotezę elektroplastyczności. Na przykład, badając odkształcenia elektromechaniczne w różnych stopach aluminium, miedzi i tytanu, naukowcy stwierdzili, że elektroplastyczność przyczynia się do zwiększonego odkształcenia, ponieważ efektu nie można wyjaśnić samym ogrzewaniem Joule'a1,6,7. Przeciwieństwem tych doniesień są badania, które przypisują redukcję naprężeń EAD w tytanie, stali nierdzewnej i Ti-6Al-4V efektom termicznym10,11.

Zarządzanie temperaturą nie jest specyficzne dla badań EAD, ale raczej stanowi ogólny problem podczas badania właściwości materiałów elektromechanicznych. Szczególnie w przypadku dużych okazów, gdzie środek masy jest głęboko odizolowany od otoczenia, utrzymanie jednolitej temperatury może być wyzwaniem. Kolejnym wyzwaniem związanym z badaniami elektromechanicznymi związanymi z wielkością próbki jest możliwość prowadzenia obserwacji in situ i w czasie rzeczywistym fundamentalnych zmian mikrostrukturalnych związanych z naprężeniami elektromechanicznymi. In situ Testy mechaniczne TEM są rutynowo wykonywane na standardowych próbkach testowych12, ale niejednorodny przekrój próbek powodowałby zależne od geometrii zmiany gęstości prądu i wymiany ciepła w pobliżu przekroju miernika. Podsumowując, główne wyzwania związane z obserwacją i interpretacją mechanizmów EAD są związane z wielkością próbki i można je podsumować w następujący sposób: 1) sprzężenie termoelektryczne wpływa na temperaturę próbki, utrudniając wyizolowanie pojedynczego proponowanego mechanizmu EAD oraz 2) nie istnieją standardowe próbki i procedury testowe dla badania in situ w czasie rzeczywistym materiału rozciąganego pod wpływem przyłożonego prądu elektrycznego. Pokonanie tych wyzwań jest możliwe dzięki przeprowadzeniu eksperymentów EAD na próbce o bardzo małej objętości w transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM) przy jednoczesnej kontroli prądu elektrycznego, obciążenia mechanicznego i temperatury.

W tym artykule opisujemy procedurę przygotowania i testowania próbki dla eksperymentu EAD, w którym efekty ogrzewania Joule'a są znikome dzięki wykorzystaniu struktury próbki z mikro/nanoskalowym przekrojem pomiarowym (10 μm x 10 μm x 100 nm) przymocowanym do większej stabilizującej ramy nośnej. Poprzez modelowanie analityczne i numeryczne wykazano13, że w tej konfiguracji nawet wysokie gęstości prądu (~3,500 A/mm2) powodowały bardzo niewielki wzrost temperatury próbki (<0,02 °C). Trójwymiarowy schemat elektromechanicznego systemu testowania opartego na mikrourządzeniach (MEMTS) przedstawiono na rysunku 1. Inną ważną zaletą przedstawionej tutaj metody jest to, że zamiast badać próbki po teście, jak to się często robi14, struktura próbki i rama nośna są zaprojektowane tak, aby pasowały bezpośrednio do uchwytu próbki transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) wyposażonego w możliwość jednoczesnego stosowania obciążeń elektrycznych i mechanicznych. Konfiguracja ta umożliwia obserwację in situ w czasie rzeczywistym deformacji materiału w rozdzielczości od nano do atomu. Chociaż w procedurze opisanej w niniejszym dokumencie stosuje się próbki miedzi monokrystalicznej, metoda ta jest wystarczająco elastyczna, aby można ją było zastosować do innych próbek materiałów, w tym metali, ceramiki i polimerów15,16.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Mikrofabrykacja ramek Si

  1. Powłoka wirowa (3 000 obr./min i 30 s) SPR220-7 fotorezystu (PR) na płytce krzemowej o grubości 180 μm. Użyj wystarczającej ilości PR, aby całkowicie pokryć wafel. Orientacja płytki kryształowej nie jest ważna.
  2. Wafel wypiekamy na miękko z warstwą PR (o grubości ok. 7,5 μm) w temperaturze 60 °C przez 2 min, a następnie w temperaturze 115 °C przez 90 s na gorącej płycie.
  3. Wystaw warstwę PR na działanie światła ultrafioletowego przez wzorzystą chromowo-szklaną maskę fotograficzną, która przepuszcza przez nią światło, aby zdefiniować kształt ramki Si. Do tego i następnego kroku należy użyć standardowego sprzętu i procesów fotolitograficznych (rysunek 2a-b).
  4. Opracuj wzory naświetlone przez fotomaskę, zanurzając płytkę krzemową z PR w nierozcieńczonym MF 24A lub MF 319 na około 1 minutę (ryc. 2c). Wzorzysta warstwa PR służy jako maska w kroku 1.6.
  5. Połącz wafel Si o grubości 180 μm z płytką Si o grubości 500 μm za pomocą tymczasowego kleju o niskiej temperaturze topnienia, aby ułatwić obsługę (szczegółowe informacje znajdują się w Tabeli materiałów). Podgrzej klej w szklanym naczyniu za pomocą płyty grzejnej (70 °C) i użyj tylko tyle kleju, aby pokryć płytkę nośną. Następnie lekko dociśnij płytkę Si o grubości 180 μm do płytki o grubości 500 μm (rysunek 2d).
  6. Przetraw górną płytkę krzemową od góry, aby uzyskać wolnostojące konstrukcje. Użyj dowolnej liczby dostępnych na rynku systemów wytrawiania jonów reaktywnych w plazmie sprzężonej indukcyjnie, które wykorzystują proces Boscha z gazami SF6 i C4F8 na etapie wytrawiania. W procesie Boscha naprzemienne cykle osadzania warstwy pasywacyjnej i trawienia plazmowego skutkują powstawaniem głęboko wydrążonych rowów z w większości nienaruszonymi ścianami bocznymi) (rysunek 2e).
    1. Zacznij od przepływów 3 i 100 sccm SF6 i C4F8 przez 5 s podczas osadzania oraz odpowiednio 100 i 2,5 sccm SF6 i C4F8 przez 7 s podczas trawienia. W razie potrzeby dostosuj parametry zależne od przyrządu (natężenie przepływu, stosunek gazów oraz przedziały czasowe dla etapów osadzania i trawienia).
  7. Co 20 minut mierz głębokość wytrawionego rowu za pomocą profilometru, aby skalibrować szybkość wytrawiania, która jest specyficzna dla instrumentów i receptury trawienia.
  8. Odłącz podporową płytkę Si i wyczyść cienką płytkę Si, usuwając tymczasowy klej i PR za pomocą nocnego namaczania acetonem (Rysunek 2f). Następnie dokładnie opłucz cienką płytkę wodą dejonizowaną (DI).
  9. Warstwę izolacyjną SiO2 należy nałożyć w temperaturze 300 °C po obu stronach ramy z krzemu za pomocą dowolnego dostępnego na rynku systemu chemicznego osadzania z fazy gazowej wzmocnionej plazmą (PECVD) z gazami SiH4,N2O i N2 (rysunek 2g). Stosować standardowe receptury osadzania SiO2, np. użyć 5% SiH4 przy 170 sccm i N2O przy 710 sccm, aby nałożyć warstwę SiO2 o grubości 2-3 μm.
  10. Przerwij zaczepy łączące poszczególne prostokątne ramy Si z otaczającymi konstrukcjami. Użyj ostrej pęsety pod mikroskopem optycznym (Rysunek 2h).

2. Laserowe wzorowanie próbek metalowych

  1. Wytnij kawałek folii miedzianej o wymiarach 5,0 cm x 5,0 cm (czystość 99,99%; patrz tabela materiałów) i przyklej go taśmą do szkiełka podstawowego. Wiruj z obu stron warstwą PR o grubości 1 μm. Podczas gdy folia o szerokim zakresie grubości (do 100 μm) może być cięta technikami laserowymi, tutaj do demonstracji stosuje się dwie różne grubości (13 μm i 25 μm). Użyj wystarczającego PR, aby całkowicie pokryć powierzchnie. Piecz PR w temperaturze 115 °C przez 2 minuty. PR jest wymagany w celu ochrony powierzchni folii miedzianej przed zanieczyszczeniami powstałymi podczas etapu cięcia laserowego oraz w celu umożliwienia chemicznego trawienia wiązek próbki (patrz krok 2.4) bez wpływu na powierzchnię folii.
  2. Używając półprzewodnikowego lasera Nd:YVO4 o długości fali 355 nm, 10 W, potrojonej częstotliwości, o częstotliwości 50 kHz i szerokości impulsu ~90 ns, wytnij matrycę 5 na 4 pojedyncze próbki, z których każda jest trzymana przez miedzianą ramę o długości 4 mm i szerokości 1 mm (rysunek 3b).
  3. Dostosuj wiązkę lasera do fluencji 65 mJ/cm2 na powierzchni folii miedzianej. Zapewnia to wystarczającą ilość energii lasera, aby przeciąć miedź w dwóch przejściach bez nadmiernego nagrzewania i/lub uszkodzenia sąsiedniej miedzi. Wzór dla każdej próbki jest generowany przez lustro skanujące Galvo, które skanuje wiązkę laserową w celu przecięcia folii miedzianej, generując jednocześnie 20 próbek (rysunek 3a). Dostosuj szerokość wiązki próbki wycinanej laserowo od 30 μm (dla folii o grubości 13 μm) do 50 μm (dla folii o grubości 25 μm).
  4. Wytrawić chemicznie matrycę próbek, zanurzając ją w 40% ciekłym chlorku żelaza w temperaturze 40-60 °C na 30 s (dla folii o grubości 13 μm) lub 40 s (dla folii o grubości 25 μm) w celu usunięcia potencjalnie uszkodzonych krawędzi wyciętych laserowo, zmniejszyć szerokość wiązek poszczególnych próbek poniżej 20 μm (rysunek 3c), i uzyskać gładki profil krawędzi belki.
  5. Usunąć ochronny fotorezyst, zanurzając matryce w oddzielnych kąpielach rozpuszczalnikowych najpierw acetonu, następnie metanolu, a następnie izopropanolu, a następnie wysuszyć azotem. Przechowywać matryce próbek w suchym eksykatorze azotu. Schemat przekroju powyższych etapów produkcji pokazano na rysunku 3d.
  6. Użyj lasera, aby wyciąć pudełko wokół układu próbek, uwalniając je od reszty folii miedzianej.

3. Montaż i eksperymenty TEM na miejscu

  1. Odłącz pojedynczą próbkę (w tym jej miedzianą ramę) za pomocą mini-nożyczek. Umieść niewielką ilość srebrnej żywicy epoksydowej na silikonowej ramce i ostrożnie wyrównaj próbkę pod mikroskopem optycznym tak, aby próbka obejmowała wąską szczelinę w środku ramy (Rysunek 4a).
  2. Podobnie jak w kroku 3.1, podłącz srebrne druty (o średnicy 50 μm) do obu końców próbki za pomocą srebrnej żywicy epoksydowej (rysunek 5c).
  3. Użyj frezowania skupionej wiązki jonów (FIB), aby utworzyć przekrój miernika w nanoskali (100 nm x 10 μm x 10 μm) z wieloma ramionami. Coraz grubsze przekroje poprzeczne oddalające się od przekroju manometru mają na celu zapewnienie płynnego przejścia gęstości prądu, bardziej równomierną gęstość prądu w przekroju miernika oraz zminimalizowanie miejscowego nagrzewania się na dowolnym poboczu. Aby zminimalizować uszkodzenia, podczas końcowego mielenia próbek miedzi należy stosować zmniejszone napięcie przyspieszające (5 kV) i prąd (<80 pA). Zmierz pole przekroju poprzecznego miernika za pomocą obrazów ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) (Rysunek 4b-e i 5b).
  4. Usuń ramki próbek za pomocą cięcia laserowego, FIB lub mininożyczek (patrz wstawka na rysunku 4a). Chociaż nie ma to miejsca na zdjęciu, miejsce cięcia powinno znajdować się z dala od sekcji miernika, aby zminimalizować możliwe uszkodzenia materiału w sekcji miernika.
  5. Zamontuj MEMTS na pojedynczym uchwycie TEM z naprężeniem uchylnym (patrz Tabela materiałów) pod mikroskopem optycznym, a następnie przymocuj go za pomocą i podkładek nieprzewodzących. Podkładki służą do zapobiegania niepożądanemu skręcaniu podczas montażu. Stosować podkładki (o grubości 0.5 mm) wykonane z arkusza z twardego włókna elektrycznego przy użyciu systemu laserowego CO2 o mocy 50 W (szczegółowe parametry podczas cięcia laserowego znajdują się w Tabeli materiałów).
  6. Podłącz srebrne przewody z kroku 3.2 do metalowych styków (Rysunek 5a) na uchwycie TEM za pomocą srebrnej żywicy epoksydowej przewodzącej.
  7. Za pomocą multimetru ręcznego lub biurkowego sprawdź rezystancję na MEMTS (B i C na rysunku 1), aby upewnić się, że przekrój miernika nie jest uszkodzony. Opór powinien być mniejszy niż 100 Ω. Zmierz również rezystancję między MEMTS a elektrycznie uziemionym uchwytem próbki TEM, aby potwierdzić, że nie ma przesłuchu elektrycznego między próbką a uchwytem TEM. Jeśli próbka jest izolowana, zmierzona rezystancja powinna być większa niż 10 MΩ.
  8. Umieść uchwyt TEM z MEMTS w TEM w celu przeprowadzenia eksperymentów in situ.
  9. Podłącz zewnętrzny zasilacz prądu stałego (patrz tabela materiałów) do wbudowanych przepustów elektrycznych w uchwycie TEM, aby dostarczyć sygnały wejściowe prądu stałego do próbki spoza komory TEM w celu sterowania prądem elektrycznym. Lokalizacje połączeń elektrycznych będą zależeć od producentów uchwytów TEM, ale w tym badaniu połączenia znajdowały się na uchwycie uchwytu, a złącza pinowe użyto do doprowadzenia zasilania z zasilacza do próbek TEM. Uzyskaj nominalną gęstość prądu w przekroju miernika, dzieląc prąd wejściowy przez pole przekroju poprzecznego (uzyskane z obrazu SEM na rysunku 5b).
    UWAGA: Uchwyt TEM z pojedynczym naprężeniem przechyłu zawiera wbudowany siłownik, który jest sterowany przez oddzielny regulator przemieszczenia (tabela materiałów).
  10. Kontrolując obciążenie mechaniczne i elektryczne, uzyskaj obrazy TEM podczas wykonywania kolejnych czynności. Można również stosować inne obciążenia odkształceniowe i prądowe.
  11. Odkształcenie rozciągające należy przykładać stopniowo małymi krokami, w zależności od rozdzielczości wbudowanego siłownika piezoelektrycznego (~0,34 nm w tym przykładzie), aż do zaobserwowania ruchu jednego lub wielu przemieszczeń w tym samym czasie. Jest to kluczowy krok, aby każdy dodatkowy wzrost energii cieplnej i/lub elektrycznej powodował dodatkowy ruch.
  12. Pozostawić próbkę do wyrównania przez jedną minutę.
  13. Zastosuj gęstość prądu wejściowego do próbki. Ze względu na mały przekrój prąd powinien być na tyle niski, nawet przy dużych gęstościach prądu, aby nie skutkował znaczącym wzrostem temperatury (figure-protocol-1) w przekroju miernika. Maksymalny wzrost temperatury w środku sekcji miernika zależy od geometrii próbki i właściwości materiału, jak omówiono poniżej.
  14. Aby zobrazować próbkę w stanie ustalonym, trzymaj ją pod wiązką elektronów przez minutę, utrzymując prąd na stałym poziomie przed uzyskaniem obrazów. Umożliwienie zrównoważenia próbki w ten sposób ma zastosowanie po każdej zmianie obciążenia mechanicznego lub elektrycznego.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przygotowanie i testowanie opisane powyżej powinno skutkować próbką, która pęka na swoim wskaźniku, podobnie jak próbka miedzi monokrystalicznej (SCC) pokazana na rysunku 6a. Uszkodzeniu mechanicznemu powinien towarzyszyć duży wzrost rezystancji, potwierdzający, że próbka SCC jest elektrycznie izolowana przez izolowane podkładki i silikonową ramę pokrytą tlenkiem. Przemieszczenia płaszczyzny w próbce należy obserwować przy użyciu trybu jasnego pola TEM skupionego w pobliżu osi strefy. Poprzez stopniowe zwiększanie odkształcenia, aż do osiągnięcia naprężenia przepływu (stan równowagi po plastyczności), ruchy dyslokacji powinny być widoczne (rysunek 6b). Dzięki dodatkowemu odkształceniu i/lub przyłożonemu prądowi, odpowiednie ruchy przemieszczenia mogą być stale monitorowane.

Rysunek 7 przedstawia reprezentatywne obrazy podczas eksperymentu EAD na próbce SCC13. Po odcedzeniu próbki do stanu równowagi po uplastycznieniu, zastosowano dodatkowe odkształcenie bez stosowania prądu (patrz rysunek 7b1). Spowodowało to powstanie nowej pętli dyslokacji (lub ewentualnie drugiego ślizgu dyslokacji), jak wskazuje strzałka na rysunku 7b2. Bez modyfikowania odkształcenia zastosowano następnie gęstość prądu 500 A/mm2, ale nie spowodowało to zauważalnego ruchu w żadnym przemieszczeniu (ryc. 7b3). Prąd został usunięty, próbka była utrzymywana na stałym poziomie przez jedną minutę, a odkształcenie ponownie wzrosło, po raz kolejny powodując zauważalne zmiany w pętli zwichnięcia wskazanej przez strzałkę na rysunku 7b4. Wynik ten ilustruje potencjał tej procedury w zakresie izolowania efektów termicznych i elektrycznych związanych z odkształceniami wspomaganymi elektrycznie. Eksperymenty z wyższymi gęstościami prądu (do 5 kA/mm2) zostały również przeprowadzone przy użyciu tej techniki, dając podobne wyniki - brak obserwowalnych dodatkowych ruchów przemieszczenia przy braku dodatkowego odkształcenia. Zastosowanie wyższych gęstości prądu podkreśla zdolność tej techniki do usuwania naprężeń termicznych spowodowanych ogrzewaniem Joule'a, które komplikowały poprzednie zestawy danych EAD.

Biorąc pod uwagę mały rozmiar sekcji miernika próbki, wybór materiału wysokiej jakości ma ogromne znaczenie. Na przykład wady materiałowe w mikroskali, np. puste przestrzenie, w pobliżu przekroju miernika skutkowałyby katastrofalnym uszkodzeniem próbki podczas przygotowania materiału (rysunek 4g). Jest to szczególnie trudne, ponieważ trudno jest stwierdzić, czy w przekroju sprawdzianu występują niewidoczne wady materiałowe bez przeprowadzenia dodatkowych badań nieniszczących, takich jak topografia dyfrakcji rentgenowskiej.

Innym kluczowym wyzwaniem jest możliwe uszkodzenie powierzchni podczas laserowego lub skoncentrowanego mielenia jonowego, w tym implantacja Ga-ion, dyslokacje wywołane wiązką jonów i tworzenie amorficznych struktur z ogrzewania wywołanego laserem. Większość artefaktów powierzchniowych można usunąć, stosując delikatny proces mielenia FIB (krok 3.3). Jednak zastosowanie tych technik mikrowytwarzania nadal wymaga starannego rozważenia, ponieważ te defekty powierzchniowe mogą zmienić mikrostrukturę próbki i znacznie wpłynąć na wyniki eksperymentalne EAD. W naszej pracy wykorzystaliśmy obrazy TEM o wysokiej rozdzielczości i wzory dyfrakcyjne, aby potwierdzić, że nasze próbki były rzeczywiście nieskazitelnymi monokryształami miedzi Rysunek 6c.

Warto zauważyć, że maksymalny wzrost temperatury w środku sekcji wskaźnika można obliczyć za pomocą następującego równania13: figure-results-1 gdzie figure-results-2 to aktualna gęstość, figure-results-3 to długość przekroju miernika, figure-results-4 to oporność elektryczna, a figure-results-5 to przewodność cieplna. Równanie wskazuje, że wzrost temperatury w przekroju miernika jest bardzo wrażliwy na figure-results-6 ponieważ maksymalny wzrost temperatury próbki jest bezpośrednio związany z kwadratem długości miernika. Na przykład zwiększenie długości przekroju miernika o rząd wielkości, z 10 μm (wykorzystane w niniejszym badaniu) do 100 μm, zwiększyłoby wzrost temperatury o dwa rzędy wielkości. Zamiast wzrostu temperatury o ~0,02 °C, temperatura wzrosłaby o ~2 °C, co prawdopodobnie miałoby znaczący wpływ na to badanie. Ponadto na wzrost temperatury wpływa również wybór materiału. Miedź użyta w tym badaniu ma stosunkowo niski współczynnik oporu elektrycznego i wysokie współczynniki przewodzenia ciepła, w wyniku czego dla danej gęstości prądu oczekiwany wzrost temperatury w próbce miedzi byłby znacznie mniejszy w porównaniu z innymi próbkami materiałowymi. Na przykład platyna ma 6 razy większą rezystywność i 5 razy mniejszą przewodność17 w porównaniu z miedzią, w wyniku czego spodziewany jest znacznie większy wzrost temperatury (około 30 razy) dla przypadku platyny, gdy długość miernika i dana gęstość prądu są takie same.

figure-results-7
Rysunek 1: Elektromechaniczny system testowania oparty na mikrourządzeniach (MEMTS). Ten obraz jest trójwymiarowym (3D) schematem przedstawiającym ważne komponenty i sposób, w jaki próbki pasują do uchwytu TEM. Nie pokazano tylko przewodów łączących próbkę z kołkami w uchwycie TEM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-8
Rysunek 2: Proces wytwarzania ramy silikonowej. Goła płytka Si (a) jest powlekana spinowo fotorezystem (b), który jest następnie modelowany za pomocą fotolitografii. Naświetlony fotorezystor jest rozwijany w celu naświetlenia leżącej pod spodem płytki Si (c). Płytka jest tymczasowo połączona z grubszą płytką nośną, a reaktywne trawienie jonowe (RIE) służy do wytrawiania cieńszej górnej płytki (d-e). Aceton służy do usuwania fotorezystu i odłączania płytki nośnej (f). Warstwa tlenku krzemu jest następnie osadzana na całej powierzchni wytrawionej płytki (g). Na koniec poszczególne ramki są oddzielane od płytki poprzez ostrożne wyciągnięcie ich z zaczepów nośnych (h). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-9
Rysunek 3: Wytwarzanie próbek metalowych. Obrazy optyczne (a) zestawu próbek miedzi, (b) pojedynczej próbki oraz (c) widoku w powiększeniu przekroju miernika. Etapy procesu produkcyjnego są pokazane w (d), który jest przekrojem wzdłuż A---A w (b). Obie strony cienkiej folii są pokryte fotorezystem w celu ochrony próbki podczas cięcia laserowego (d, góra). Struktury są obrabiane laserowo (d, sekunda), a następnie wytrawiane w celu uzyskania gładkich krawędzi (d, trzecia). Wiele próbek może być wyprodukowanych z jednej serii produkcyjnej, jak pokazano w (a). Na koniec fotorezystor jest usuwany, a poszczególne próbki są delikatnie usuwane z arkusza próbki (d, dół). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-10
Rysunek 4: Obrazy frezowania skupionej wiązki jonów (FIB). Zdjęcie (a) przedstawia próbkę przymocowaną do ramy Si oraz zbliżenie (wstawkę) wspornika próbki po jego wycięciu laserowym. Zdjęcia (b)-(e) pokazują, że przekrój miernika staje się stopniowo cieńszy podczas kolejnych przejść FIG. Każde przejście usuwa mniej materiału, aby poprawić wykończenie powierzchni i zmniejszyć zmiany właściwości materiału spowodowane procesem frezowania. Możliwe jest jednak, że pozostaną wady przekroju skrajni (f), co może spowodować uszkodzenie materiału jeszcze przed przyłożeniem jakiegokolwiek odkształcenia (g). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-11
Rysunek 5: Próbka zamontowana w uchwycie TEM. a) i b) pokazują zmontowaną próbkę w uchwycie TEM i końcowy wymiar przekroju miernika z gładkimi powierzchniami przy użyciu delikatnego mielenia FIB. Po połączeniu próbki z ramką Si i przymocowaniu srebrnych drutów za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej (c), dwa okrągłe otwory w ramie Si służą do zamontowania próbki w uchwycie TEM. Podkładki nieprzewodzące służą do izolowania próbki od uchwytu TEM. Na koniec srebrne druty są mocowane do kołków uchwytu TEM za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej. Modified13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-12
Rysunek 6: Reprezentatywna próbka miedzi monokrystalicznej (SSC). a) przedstawia przekrój skrajni (położenie A z rysunku 1) wykonany po uszkodzeniu przekroju skrajni. (b) jest obrazem w jasnym polu przekroju skrajni ukazującym przemieszczenia płaszczyzny. c) pokazuje wzór dyfrakcyjny na przekroju skrajni. Modified13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-13
Rysunek 7: Eksperymentalne obrazy TEM in situ EAD. Obrazy te ukazują wpływ obciążenia mechanicznego i elektrycznego na ruch przemieszczenia. (b1)-(b4) pokazuje widok powiększenia obszaru (b) w (a). (B1) przedstawia próbkę w stanie równowagi po uplastycznieniu. (B2) identyfikuje powstawanie pętli dyslokacji wynikające z dodatkowego odkształcenia poza stan pokazany w (B1). Nie zaobserwowano żadnych zmian po przyłożeniu prądu (b3). Po ponownym zwiększeniu obciążenia ponownie zauważono dalsze zmiany zwichnięcia (b4). Reprinted13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mikro/nanotechnologia dostarczyła potężnych narzędzi do charakteryzowania zachowania materiałów w komorach analitycznych, w tym w skanowaniu 16,18,19,20,21 i transmisyjnych mikroskopach elektronowych 13,22,23,24. Takie możliwości testowania in situ są bardzo atrakcyjne dla społeczności zajmującej się materiałoznawstwem i inżynierią, ponieważ podstawowe mikrostruktury i leżące u ich podstaw mechanizmy deformacji można bezpośrednio obserwować za pomocą mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości25,26.

W tym miejscu przedstawiliśmy metodę opartą na mikrourządzeniach do badania sprzężonego zachowania elektrycznego i mechanicznego próbek materiałów, wykorzystując unikalne zalety TEM in situ . Etapy tego podejścia wymagają średniego doświadczenia w stosowaniu fotolitografii, reaktywnego sprzętu do trawienia jonowego, mikroskopów elektronowych oraz dostępu i szkolenia w zakresie wysokiej jakości systemu obróbki laserowej, takiego jak ten zastosowany tutaj. Chociaż montaż próbek i uchwytów silikonowych odbywa się przy użyciu prostych środków: srebrnej żywicy epoksydowej i podstawowego mikroskopu świetlnego, należy zachować ostrożność, aby nie uszkodzić przekroju miernika próbki. Dzieje się tak przez cały czas pracy z próbką. Należy również zachować ostrożność podczas końcowych procesów mielenia FIB próbek miedzi. Zmniejszenie napięcia przyspieszającego (5 kV) i prądu (<80 pA)27 podczas końcowego polerowania zmniejszy możliwe uszkodzenia próbki28 i uzyska gładki, wolny od wad przekrój miernika. Innym ważnym elementem do zapamiętania jest sprawdzenie, czy próbka jest elektrycznie odizolowana od uchwytu TEM, aby upewnić się, że przyłożony prąd przepływa przez sekcję manometru po rozpoczęciu eksperymentu.

Proces trawienia wafli obejmuje kilka etapów, które mają kluczowe znaczenie dla wytworzenia dobrej ramy dla próbki EAD. Tymczasowe połączenie płytki nośnej o grubości 500 μm z płytką o grubości 180 μm z jednolitą tymczasową powłoką klejącą między płytkami jest ważne, nie tylko ze względu na pomoc w obsłudze delikatnej wytrawionej płytki, ale także ułatwiające przenoszenie ciepła podczas procesu trawienia plazmowego. Niedostateczna wymiana ciepła może spowodować wytrawienie maski PR, a następnie niedocelowe wytrawienie ramy silikonowej. Ważne jest również, aby okresowo mierzyć głębokość wykopu. Cieńszy górny wafel krzemowy musi być całkowicie wytrawiony, ale wytrawienie płytki nośnej powinno być minimalne, aby mógł działać jako równomierny radiator dla cieńszej płytki. Na koniec ważne jest, aby dokładnie oczyścić wytrawioną płytkę acetonem, a następnie spłukać wodą DI przed osadzaniem SiO2 , aby zminimalizować wszelkie pozostałości pozostałości.

Pokazane tutaj obrazy eksperymentalne EAD są reprezentatywne dla tego, czego można się spodziewać, ale można wprowadzić modyfikacje rozdzielczości, dawki i liczby klatek na sekundę, aby umożliwić lepszą obserwację i kwantyfikację dyslokacji. Ponadto oprogramowanie do przetwarzania obrazu może być wykorzystywane do analizy serii obrazów TEM o zwiększonej rozdzielczości.

MEMTS oferuje kilka unikalnych korzyści w badaniu zachowania materiałów elektromechanicznych. System ten umożliwia bezpośrednią obserwację zjawisk w nanoskali, które rządzą odkształceniami materiału w makroskali pod wpływem obciążenia elektromechanicznego. Po drugie, przekroje miernika próbki o małym przekroju zapewniają możliwość stosowania znacznych gęstości prądu elektrycznego przy użyciu prądu o niskiej wielkości, eliminując w ten sposób obawy dotyczące bezpieczeństwa związane z używaniem przyrządów o dużej mocy. Na przykład zastosowanie gęstości prądu 1 000 A/mm2 do przekroju miernika 1 mm2 wymagałoby 1 kA w porównaniu do tylko 1 mA, gdyby przekrój miernika został zmniejszony do 1μm2. Co ważniejsze, zastosowanie pomocy o niższym natężeniu prądu w zarządzaniu ciepłem. Wyjątkowość MEMTS polega również na tym, że jego wyrównanie i montaż nie wymagają drogiego sprzętu i nie są czasochłonne w porównaniu z innymi metodami montażu opartymi na mikrourządzeniach.

Opisana tutaj metoda dobrze nadaje się do badań elektromechanicznych metali, ceramiki i polimerów, ale może być również wykorzystana do zbadania zachowania elektromechanicznego zależnego od mikrostruktury w każdej z tych klas materiałów. Na przykład wpływ monokrystaliczności i polikrystaliczności, orientacji ziarna, wielkości ziarna, rozkładu fazowego i gęstości defektów na zachowanie elektromechaniczne można zbadać, przygotowując reprezentatywne próbki. Wnioski uzyskane w wyniku tak kompleksowego badania mogą dostarczyć wiedzy potrzebnej do lepszego zrozumienia mechanizmu (mechanizmów) napędowego EAD i zwiększenia możliwości produkcyjnych EAD. Mówiąc szerzej, MEMTS może być użyteczną platformą do badania innych urządzeń, które wykorzystują sprzężenie termoelektryczne. Na przykład można go wykorzystać do obserwacji materiałów stosowanych w chłodnicach termoelektrycznych, które przekształcają przyłożone napięcie w różnicę temperatur za pomocą efektu Seebecka.

Chociaż eksperymenty przeprowadzone przy użyciu opisanego tutaj procesu nie wykazały jeszcze, że deformacja wspomagana elektrycznie występuje przy braku znacznego ogrzewania Joule'a, potrzebne są dalsze eksperymenty. Opisany tutaj proces wykorzystywał niewielki zestaw warunków eksperymentalnych i koncentrował się na zlokalizowanym regionie. Potrzebny jest bardziej kompleksowy zestaw eksperymentów wykorzystujących wiele materiałów, gęstości prądu i skal czasowych, aby bardziej jednoznacznie zweryfikować istnienie lub brak efektów czysto elektrycznych w EAD. Jednym z ograniczeń technicznych obecnego podejścia MEMTS jest brak możliwości ilościowego określenia siły działającej na próbkę podczas eksperymentów in situ . Pomiar siły jest niezbędny do uzyskania danych naprężenie-odkształcenie (np. do ilościowego określenia, kiedy próbka osiągnęła naprężenie przepływowe), a w połączeniu z obserwacjami in situ bezpośrednio zapewnia relacje między mikrostrukturą a właściwościami. W związku z tą wyjątkową okazją badawczą pracujemy obecnie nad modyfikacją ram Si w celu włączenia zintegrowanych czujników siły.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez stypendium podoktorskie ASEE-NRL oraz Biuro Badań Marynarki Wojennej poprzez Program Badań Podstawowych Laboratorium Badawczego Marynarki Wojennej USA. Autorzy dziękują C. Kindle'owi z NRL za wsparcie techniczne.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
WafleSprawdzi się każda wysokiej jakości polerowana wafla o odpowiedniej grubości
PhotoresistDowSR220-7
Deweloper PhotoresistShipleyMF 24A
Deweloper PhotoresistRohm i HaasMF 319
Tymczasowy klejCrystalbond 509Dostępne w różnych rozmiarach źródła
reaktywnego trawienia jonowego w plazmie indukcyjnie sprzężonej (CP-RIE)OxfordPlasmalab 100 ICP RIE
ProfilometrVeecoDektak 150
osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmą (PECVD)OxfordPlasmalab system 100 PECVD
Cienki arkusz próbekSurepure Chemetals3702, 3703, 3704 lub 223613 &mikro; m oraz 25 i mikro; miedź o grubości m, 99,99% 4N czysty
fotorezystorShipley1818
355 nm, 10 W, półprzewodnikowy, potrojony częstotliwość Nd:YVO4 laser impulsowyJDSUQ301-HD
Ciekły chlorek żelazaSigma-Aldrich157740
Przewodząca srebrna żywica epoksydowaChemtronicsCW2400
Srebrne drutyWszelkie wysoce przewodzące przewody metalowe będą działać (< 100 &mikro; m średnicy)
Skupiona wiązka jonów (FIB)FEINova 600
Uchwyt TEM z pojedynczym przechyłemGatan654
Regulator przemieszczeniaRolkatnąca Gatan 902Może być sprzedawany z uchwytem TEM
Wycinarka laserowa CO2Uniwersalne systemy laseroweVLS 3.50Zużywaj 50% mocy i 15% prędkości
Izolacja elektryczna arkuszo grubości 0,5 mm Arkusz klasy elektrycznej z twardego włókna (papier rybny)Dostępne z różnych źródeł
Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM)FEITecnai G2
Zasilacz zewnętrznyKeithley2400 SourceMeter
krzemowe do wafli System System System do chemicznego

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ross, C. D., Kronenberger, T. J., Roth, J. T. Effect of dc on the formability of Ti-6Al-4V. J Eng Mater-T ASME. 131 (3), 031004(2009).
  2. Siopis, M. S., Kinsey, B. L. Experimental investigation of grain and specimen size effects during electrical-assisted forming. J Manuf Sci Eng-T ASME. 132 (2), 021004(2010).
  3. Green, C. R., McNeal, T. A., Roth, J. T. Springback Elimination for Al-6111 Alloys Using Electrically Assisted Manufacturing (EAM). 37th Annual North American Manufacturing Research Conference. 37, Greenville, SC. 403-410 (2009).
  4. Okazaki, K., Kagawa, M., Conrad, H. A study of the electroplastic effect in metals. Scr Mater. 12 (11), 1063-1068 (1978).
  5. Sprecher, A. F., Mannan, S. L., Conrad, H. Overview no. 49. On the mechanisms for the electroplastic effect in metals. Acta Metall. 34 (7), 1145-1162 (1986).
  6. Perkins, T. A., Kronenberger, T. J., Roth, J. T. Metallic forging using electrical flow as an alternative to warm/hot working. J Manuf Sci Eng-T ASME. 129 (1), 84-94 (2007).
  7. Andrawes, J. S., Kronenberger, T. J., Perkins, T. A., Roth, J. T., Warley, R. L. Effects of DC current on the mechanical behavior of AlMg1SiCu. Mater Manuf Process. 22 (1), 91-101 (2007).
  8. Dzialo, C. M., Siopis, M. S., Kinsey, B. L., Weinmann, K. J. Effect of current density and zinc content during electrical-assisted forming of copper alloys. CIRP Ann Manuf Techn. 59 (1), 299-302 (2010).
  9. Fan, R., Magargee, J., Hu, P., Cao, J. Influence of grain size and grain boundaries on the thermal and mechanical behavior of 70/30 brass under electrically-assisted deformation. Mater Sci Eng A. 574, 218-225 (2013).
  10. Magargee, J., Morestin, F., Cao, J. Characterization of Flow Stress for Commercially Pure Titanium Subjected to Electrically Assisted Deformation. J Eng Mater Technol. 135 (4), 041003(2013).
  11. Kinsey, B., Cullen, G., Jordan, A., Mates, S. Investigation of electroplastic effect at high deformation rates for 304SS and Ti-6Al-4V. CIRP Ann - Manuf Technol. 62 (1), 279-282 (2013).
  12. Williams, D. B., Carter, C. B. Transmission electron microscopy. , 2nd edn, Springer. (2008).
  13. Kang, W., Beniam, I., Qidwai, S. M. In situ electron microscopy studies of electromechanical behavior in metals at the nanoscale using a novel microdevice-based system. Rev Sci Instrum. 87 (9), (2016).
  14. Kim, M. J., et al. Electric current-induced annealing during uniaxial tension of aluminum alloy. Scr Mater. 75, 58-61 (2014).
  15. Knowles, M. R. H., Rutterford, G., Karnakis, D., Ferguson, A. Micro-machining of metals, ceramics and polymers using nanosecond lasers. Int J Adv Manuf Tech. 33 (1-2), 95-102 (2007).
  16. Kang, W., Saif, M. T. A. A novel SiC MEMS apparatus for in situ uniaxial testing of micro/nanomaterials at high temperature. J Micromech Microeng. 21 (10), (2011).
  17. Callister, W. D. Materials Science and Engineering: An Introduction. , 7th edn, John Wiley & Sons, Inc. (2007).
  18. Kang, W., Saif, M. T. A. A Novel Method for In Situ Uniaxial Tests at the Micro/Nano Scale-Part I: Theory. J Microelectromech Syst. 19 (6), 1309-1321 (2010).
  19. Kang, W., Han, J. H., Saif, M. T. A. A Novel Method for In Situ Uniaxial Tests at the Micro/Nanoscale-Part II: Experiment. J Microelectromech Syst. 19 (6), 1322-1330 (2010).
  20. Kang, W. M., Saif, M. T. A. In Situ Study of Size and Temperature Dependent Brittle-to-Ductile Transition in Single Crystal Silicon. Adv Func Mater. 23 (6), 713-719 (2013).
  21. Sim, G. D., Vlassak, J. J. High-temperature tensile behavior of freestanding Au thin films. Scr Mater. 75, 34-37 (2014).
  22. Haque, M. A., Saif, M. T. A. Deformation mechanisms in free-standing nanoscale thin films: A quantitative in situ transmission electron microscope study. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (17), 6335-6340 (2004).
  23. Zhu, Y., Espinosa, H. D. An electromechanical material testing system for in situ electron microscopy and applications. Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (41), 14503-14508 (2005).
  24. Hosseinian, E., Pierron, O. N. Quantitative in situ TEM tensile fatigue testing on nanocrystalline metallic ultrathin films. Nanoscale. 5 (24), 12532-12541 (2013).
  25. Kang, W., Rajagopalan, J., Saif, M. T. A. In Situ Uniaxial Mechanical Testing of Small Scale Materials-A Review. Nanosci Nanotechnol Lett. 2 (4), 282-287 (2010).
  26. Kang, W., Merrill, M., Wheeler, J. M. In Situ Thermomechanical Testing Methods for Micro/Nano-Scale Materials. Nanoscale. , (2016).
  27. Thompson, K., Gorman, B., Larson, D., Bv Leer,, Hong, L. Minimization of Ga Induced FIB Damage Using Low Energy Clean-up. Microsc Microanal. 12 (S02), 1736-1737 (2006).
  28. Mayer, J., Giannuzzi, L. A., Kamino, T., Michael, J. TEM sample preparation and FIB-induced damage. MRS Bulletin. 32 (5), 400-407 (2007).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

TEM in situodkszta canie wspomagane elektrycznieprzygotowanie pr bek w nanoskalifrezowanie wi zk skupionych jon wtransmisyjna mikroskopia elektronowamied monokrystalicznaanaliza dyslokacjieliminacja efekt w termicznychobserwacja w czasie rzeczywistymbadanie mikrostruktury materia w

Powiązane artykuły