Mechanické vlastnosti

Při měření mechanických vlastností se snažíme určit například indentační tvrdost, modul pružnosti, adhezi tenké vrstvy na substrátu a podobné veličiny. Jedná se o vlastnosti, které zásadním způsobem ovlivňují praktické využití daného vzorku (např. jeho otěruvzdornost) a pro aplikace nanotechnologií do průmyslu jsou proto klíčové.

Pro měření lokálních mechanických vlastností by se na první pohled jevily jako ideální právě metody rastrovací mikroskopie, jako je například mikroskopie atomárních sil (AFM). Vzhledem k tomu, že metoda je založena na silovém působení mezi hrotem a povrchem, není skutečně problém velmi snadno provádět měření odezvy vzorku na různě velkou sílu vyvíjenou hrotem. Problémem je, že po konstrukční stránce není AFM zdaleka ideálním převodníkem mezi silou a jinou měřitelnou veličinou (nejčastěji napětím). Princip ohybu pružného držáku hrotu silou působící mezi hrotem a povrchem sice poskytuje vysokou citlivost potřebnou pro nedestruktivní měření morfologie, postrádá však dynamický rozsah a linearitu, které bychom od zařízení na měření mechanických vlastností čekali především.

Na druhou stranu, AFM je schopno provádět měření s vysokým prostorovým rozlišením, což je vlastnost, která stojí za úsilím o kvantitativní využití silových křivek. Pomocí různých speciálních režimů je možné získávat data reprezentující tvrdost, modul pružnosti, adhezi a podobné veličiny, a to při minimální destrukci vzorku. Základním prvkem návaznosti v síle i ve vzdálenosti (mezi hrotem a povrchem) je kalibrace konstanty pružnosti držáku hrotu (tzv. cantileveru) a charakterizace poloměru hrotu. Oba tyto faktory je nutné kalibrovat pro každý hrot zvlášť a v případě poloměru hrotu dokonce pro každé měření. I když jsou tedy obě tyto metody po teoretické i praktické stránce zvládnuty, výsledná nejistota určení mechanických vlastností pomocí AFM se jen zřídka pohybuje pod 10 %.

Mapování adheze metodou PeakForceQNM

S ohledem na nepříliš dobře definované metrologické vlastnosti AFM jakožto převodníku síly se v nanometrologii využívají také metody s mnohem nižším prostorovým rozlišením, jako jsou nanoindentace a mikroindentace. V tomto případě dochází k vtlačování diamantového hrotu do povrchu pomocí zařízení speciálně konstruovaného pro dosažení co nejpřesnějšího měření síly a posunutí. Výsledné nejistoty mohou být proto výrazně nižší, pochopitelně za cenu ztráty prostorového rozlišení.

Na oddělení nanometrologie ČMI se věnujeme vývoji metod pro interpretaci dat z měření mechanických vlastností pomocí AFM, kalibraci tuhosti držáků hrotu (cantileverů), kterou nabízíme také jako službu odborné veřejnosti, a konečně vývoji návaznosti pro mechanické zkoušky pomocí nanoindentace a mikroindentace.


(c) CMI 2012

Novinky

Zveme vás na Seminář o metodách blízkého pole.

Snímek měsíce


Atomární schodky na Si

Kontakt

Oddělení primární nanometrologie a technické délky
Český metrologický institut
Okružní 31, 638 00 Brno
pklapetek(at)cmi.cz