Наноидентификация

Твердость – это способность материала сопротивляться действию внешних сил с целью сохранения структуры и формы. Наноидентификация представляет собой один из режимов XE, который определяет твердость местной области. В область исследований входят твердое покрытие (титано-нитридное покрытие), микроэлектроника (надежность металлических соединений), тонкопленочная технология (брак в адгезии) и полимеры. Нажатием на образец твердым наконечником, как показано на рисунке 1, выполняется лунка (углубление). Глубина и площадь лунки характеризует твердость материала. Другие свойства, в том числе эластичность, адгезия, ползучесть и трибология также рассчитываются по данным об углублении.

Рисунок 1. Наноидентификация измеряет твердость местной области вдавливанием наконечника индентора в образец

Рисунок 2. Изображение индентора Берковича. Изображение получено с помощью неконтактного метода АСМ-XE. Данный тип изображения можно получить только неконтактным методом, его невозможно выполнить полуконтактным и контактным АСМ

Идентификация – простой метод исследования. Сложность заключается в анализе результатов. Важнейшими факторами данной техники являются силовая калибровка и глубина углубления или так называемое смещение (поверхности). Силовая константа кантилевера, форма наконечника и другие механический свойства, в том числе, «привариваемость» наконечника определяют суммарную силу воздействия на образец. Поэтому точное изображение формы индентора, как показано на рисунке 2, является ключевым преимуществом, когда он сопровождается надежной калибровкой силы.

Только уникальная возможность неконтактного АСМ серии XE позволяет выполнять изображения с помощью индентора Берковича. Совместно с калибровкой постоянной пружины по справочной решетке кантилевера (см. калибровку постоянной пружины с помощью справочной решетки кантилевера) силовая калибровка АСМ серии XE  обеспечивает точность в непараллельных плоскостях и надежность результатов. Что касается чувствительности к глубине, важными факторами являются точное определение изгиба кантилевера и механическая симуляция системы.

Изображение SEM наших точных кантилеверов MEMS, выполненные по методике ECM, показано на рисунке 3. Основным достоинством служит тот факт, что кантилевер хорошо просчитывается, поэтому можно точно спрогнозировать механические характеристики. В качестве индентора обычно выступает трехсторонний пирамидальный однокристальный природный алмазный наконечник, индентор Берковича. Индентор с более резкими гранями можно эффективно использовать для получения высокого разрешения и чувствительности, но гораздо сложнее симулировать систему и получать количественные результаты оценки от острого наконечника. Преимуществом индентора Берковича является то, что мы можем симулировать результаты и выполнять количественное измерение силы без повреждения наконечника индентора.

Рисунок 3. Изображение SEM кантилевера Park Systems

Рисунок 4. Перевернутое изображение углубления, полученное с помощью неконтактного метода АСМ серии ХЕ

Рисунок 5. Кривые нагрузки и разгрузки при наноидентификации

Индентор установлен на консоли кантилевера таким образом, что его острый край параллелен длинной оси кантилевера. Индентор воздействует на поверхность образца с определенным усилием примерно 1-2 секунды. Углубление характеризуется определенной геометрией, которую можно измерить с помощью высокоточного микроскопа АСМ, как показано на рисунке 4.  Кроме того, АСМ – единственный метод, который позволяет точно определить геометрию мельчайших областей. То есть неконтактный АСМ серии XE позволяет получить очень точные и качественные изображения углубления от индентора.

Твердость материала рассчитывается делением усилия на проекцию площади углубления. Помимо твердости  определяется модуль упругости Юнга по наклону кривой разгрузки. Стандартные кривые нагрузки и разгрузки, получаемые в процессе наноидентификации, показаны на рисунке 5.

Гистерезис кривых указывает на то, что деформация не является абсолютно упругой и частично неэластична. Для упругих материалов кривые нагрузки и разгрузки расположены довольно близко, поскольку деформация является в основном упругой. Наноидентификация в основном используется для оценки упругости и вязкоупругости.

Микроскопы, работающие в режиме наноидентификации: