納米壓痕儀的應(yīng)用,納米壓痕儀可適用于有機或無機、軟質(zhì)或硬質(zhì)材料的檢測分析,包括PVD、CVD、PECVD薄膜,感光薄膜,彩繪釉漆,光學(xué)薄膜,微電子鍍膜,保護性薄膜,裝飾性薄膜等等。基體可以為軟質(zhì)或硬質(zhì)材料,包括金屬、合金、半導(dǎo)體、玻璃、礦物和有機材料等。半導(dǎo)體技術(shù)(鈍化層、鍍金屬、Bond Pads);存儲材料(磁盤的保護層、磁盤基底上的磁性涂層、CD的保護層);光學(xué)組件(接觸鏡頭、光纖、光學(xué)刮擦保護層);金屬蒸鍍層;防磨損涂層(TiN, TiC, DLC, 切割工具);藥理學(xué)(藥片、植入材料、生物組織);工程學(xué)(油漆涂料、橡膠、觸摸屏、MEMS)等行業(yè)。納米力學(xué)測試還可以評估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。原位納米力學(xué)測試原理
較大壓痕深度1.5 μ m時的試驗結(jié)果,其中納米硬度平均值為0.46GPa,而用傳統(tǒng)硬度計算方法得到的硬度平均值為0.580GPa,這說明傳統(tǒng)硬度計算方法在微納米硬度測量時誤差較大,其原因就是在微納米硬度測量時,材料變形的彈性恢復(fù)造成殘余壓痕面積較小,傳統(tǒng)方法使得計算結(jié)果產(chǎn)生了偏差,不能正確反映材料的硬度值。圖片通過對不同載荷下的納米硬度測量值進行比較發(fā)現(xiàn),單晶鋁的納米硬度值并不是恒定的, 而是在一定范圍內(nèi)隨著載荷(壓頭位移)的降低而逐漸增大,也就是存在壓痕尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。圖3反映了納米硬度隨壓痕深度的變化。較大壓痕深度1μm時單晶鋁彈性模量與壓痕深度的關(guān)系。此外,納米硬度儀還可以輸出接觸剛、實時載荷等隨壓頭位移的變化曲線,試驗者可以從中獲得豐富的信息。海南材料科學(xué)納米力學(xué)測試方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,納米力學(xué)測試有助于了解細(xì)胞與納米材料的相互作用機制。
微納米材料力學(xué)性能測試系統(tǒng)可移動范圍:250mm x 150mm;步長分辨率:50nm;Encoder 分辨率:500nm;較大移動速率:30mm/S;Z stage。可移動范圍:50mm;步長分辨率:3nm;較大移動速率:1.9mm/S。原位成像掃描范圍。XY 方向:60μm x 60μm;Z 方向:4μm;成像分辨率:256 x 256 像素點;掃描速率:3Hz;壓頭原位的位置控制精度:<+/-10nm;較大樣品尺寸:150mm- 200mm。納米壓痕試驗:測試硬度及彈性模量(包括隨著連續(xù)壓入深度的變化獲得硬度和彈性模量的分布)以及斷裂韌性、蠕變、應(yīng)力釋放等。 納米劃痕試驗:獲得摩擦系數(shù)、臨界載荷、膜基結(jié)合性質(zhì)。納米摩擦磨損試驗 :評價抗磨損能力。在壓痕、劃痕、磨損前后的SPM原位掃描探針成像: 獲得微區(qū)的形貌組織結(jié)構(gòu)。
國內(nèi)的江西省科學(xué)院、清華大學(xué)、南昌大學(xué)等采用掃描探針顯微鏡系列,如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等,對高精度納米和亞納米量級的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進行測量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測量的數(shù)學(xué)模型,仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對樣品表面輪廓的測量過程。清華大學(xué)李達成等研制成功在線測量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀,該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源,共光路設(shè)計提高了抗外界環(huán)境干擾的能力,其縱向和橫向分辨率分別為0.39nm和0.73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強差法的納米測量原理。納米力學(xué)測試應(yīng)用于半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、能源等多個領(lǐng)域,具有普遍前景。
對納米元器件的電測量——電壓、電阻和電流——都帶來了一些特有的困難,而且本身容易產(chǎn)生誤差。研發(fā)涉及量子水平上的材料與元器件,這也給人們的電學(xué)測量工作帶來了種種限制。在任何測量中,靈敏度的理論極限是由電路中的電阻所產(chǎn)生的噪聲來決定的。電壓噪聲[1]與電阻的方根、帶寬和一定溫度成正比。高的源電阻限制了電壓測量的理論靈敏度[2]。雖然完全可能在源電阻抗為1W的情況下對1mV的信號進行測量,但在一個太歐姆的信號源上測量同樣的1mV的信號是現(xiàn)實的。通過納米力學(xué)測試,可以測量納米材料的彈性模量、硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。四川空心納米力學(xué)測試原理
納米力學(xué)測試可以用于研究納米材料的界面行為和相互作用,為納米材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。原位納米力學(xué)測試原理
納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富,既可以通過靜態(tài)力學(xué)性能測試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息,也可以通過動態(tài)力學(xué)性能測試獲得被測樣品的存儲模量、損耗模量或損耗因子等。另外,動態(tài)納米壓痕技術(shù)還可以實現(xiàn)對材料微納米尺度存儲模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國Hysitron 公司生產(chǎn)的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學(xué)測試方法,目前仍然有不少研究者致力于對其方法本身的改進和發(fā)展。原位納米力學(xué)測試原理