Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

Comprender las propiedades mecánicas de los materiales es una de las tareas más fundamentales y esenciales en ingeniería. Para el análisis de las propiedades de los materiales a granel, existen numerosos métodos disponibles para caracterizar las propiedades mecánicas de los sistemas de materiales, incluidas las pruebas de tracción¹, las pruebas de compresión² y las pruebas de flexión (flexión) de tres o cuatro puntos³. Si bien estas pruebas a microescala pueden proporcionar información invaluable sobre las propiedades del material a granel, generalmente se realizan hasta el fracaso y, por lo tanto, son destructivas. Además, carecen de la resolución espacial necesaria para investigar con precisión las propiedades a micro y nanoescala de muchos sistemas de materiales que son de interés hoy en día, como películas delgadas, materiales biológicos y nanocompuestos. Para comenzar a abordar algunos de los problemas con las pruebas mecánicas a gran escala, principalmente su naturaleza destructiva, se adoptaron pruebas de microdureza de la mineralogía. La dureza es una medida de la resistencia de un material a la deformación plástica bajo condiciones específicas. En general, las pruebas de microdureza utilizan una sonda rígida, generalmente hecha de acero endurecido o diamante, para sangrar en un material. La profundidad de indentación resultante y / o el área se pueden usar para determinar la dureza. Se han desarrollado varios métodos, incluyendo la dureza Vickers⁴, Knoop⁵ y Brinell⁶ ; Cada uno proporciona una medida de la dureza del material a microescala, pero bajo diferentes condiciones y definiciones, y como tal solo produce datos que se pueden comparar con las pruebas realizadas en las mismas condiciones.

La nanoindentación instrumentada se desarrolló para mejorar los valores relativos obtenidos a través de los diversos métodos de prueba de microdureza, mejorar la resolución espacial posible para el análisis de propiedades mecánicas y permitir el análisis de películas delgadas. Es importante destacar que, al utilizar el método desarrollado por primera vez por Oliver y Pharr⁷, el elástico o módulo de Young, E, de un material de muestra se puede determinar a través de nanoindentación instrumentada. Además, al emplear una sonda nanoindentadora piramidal de tres lados Berkovich (cuya función ideal del área de punta coincide con la de la sonda piramidal de cuatro lados Vickers)⁸, se puede realizar una comparación directa entre las mediciones de dureza a nanoescala y microescala más tradicionales. Con el crecimiento de la popularidad del AFM, la nanoindentación basada en voladizo AFM también comenzó a recibir atención, particularmente para medir las propiedades mecánicas de materiales más blandos. Como resultado, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1, las dos técnicas más comúnmente empleadas hoy en día para interrogar y cuantificar las propiedades mecánicas a nanoescala son la nanoindentación instrumentada (Figura 1A) y la nanoindentación basada en voladizo AFM (Figura 1B)⁹, la última de las cuales es el foco de este trabajo.

Figura 1: Comparación de sistemas de nanoindentación instrumentados y basados en voladizo AFM. Diagramas esquemáticos que representan sistemas típicos para realizar (A) nanoindentación instrumentada y (B) nanoindentación basada en voladizo AFM. Esta figura fue modificada de Qian et ^al.51. Abreviatura: AFM = microscopía de fuerza atómica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tanto la nanoindentación instrumentada como la basada en voladizo AFM emplean una sonda rígida para deformar una superficie de muestra de interés y monitorear la fuerza y el desplazamiento resultantes en función del tiempo. Normalmente, el perfil de desplazamiento de carga deseado (es decir, fuerza) o (Z-piezo) es especificado por el usuario a través de la interfaz del software y controlado directamente por el instrumento, mientras que el otro parámetro se mide. La propiedad mecánica que se obtiene con mayor frecuencia de los experimentos de nanoindentación es el módulo elástico (E), también conocido como módulo de Young, que tiene unidades de presión. El módulo elástico de un material es una propiedad fundamental relacionada con la rigidez de enlace y se define como la relación entre la tensión de tracción o compresión (σ, la fuerza aplicada por unidad de área) y la deformación axial (ε, la deformación proporcional a lo largo del eje de indentación) durante la deformación elástica (es decir, reversible o temporal) antes del inicio de la deformación plástica (ecuación [1]):

(1)

Cabe señalar que, debido a que muchos materiales (especialmente los tejidos biológicos) son de hecho viscoelásticos, en realidad, el módulo (dinámico o complejo) consiste en componentes elásticos (almacenamiento, en fase) y viscosos (pérdida, fuera de fase). En la práctica real, lo que se mide en un experimento de nanoindentación es el módulo reducido, E *, que está relacionado con el verdadero módulo de interés de la muestra, E, como se muestra en la ecuación (2):

(2)

Donde la punta E y la punta ν son el módulo elástico y la relación de Poisson, respectivamente, de la _punta nanopenetradora, y ν es la relación de Poisson estimada de la muestra. La relación de Poisson es la relación negativa de la deformación transversal a axial, y por lo tanto indica el grado de elongación transversal de una muestra al ser sometida a deformación axial (por ejemplo, durante la carga de nanoindentación), como se muestra en la ecuación (3):

(3)

La conversión de módulo reducido a módulo real es necesaria porque a) parte de la deformación axial impartida por la punta del penetrador puede convertirse en deformación transversal (es decir, la muestra puede deformarse por expansión o contracción perpendicular a la dirección de carga), y b) la punta del penetrador no es infinitamente dura y, por lo tanto, el acto de sangrar la muestra da como resultado una (pequeña) cantidad de deformación de la punta. Tenga en cuenta que en el caso de que la punta E >> E (es decir, la _punta penetradora es mucho más dura que la muestra, lo que a menudo es cierto cuando se usa una sonda de diamante), la relación entre el módulo de muestra reducido y real se simplifica enormemente a E ≈ E * (1 – v²). Mientras que la nanoindentación instrumentada es superior en términos de caracterización precisa de la fuerza y rango dinámico, la nanoindentación basada en voladizo AFM es más rápida, proporciona órdenes de magnitud mayor fuerza y sensibilidad al desplazamiento, permite imágenes de mayor resolución y una mejor localización de la sangría, y puede sondear simultáneamente las propiedades magnéticas y eléctricas a nanoescala⁹. En particular, la nanoindentación basada en voladizo AFM es superior para la cuantificación de propiedades mecánicas a nanoescala de materiales blandos (por ejemplo, polímeros, geles, bicapas lipídicas y células u otros materiales biológicos), películas extremadamente delgadas (sub-μm) (donde los efectos de sustrato pueden entrar en juego dependiendo de la profundidad de indentación)^10,11, y materiales bidimensionales suspendidos (2D)^12,13,14 como el grafeno ^15,16, mica¹⁷, nitruro de boro hexagonal (h-BN)18, o dicalcogenuros de metales de transición (TMDC; por ejemplo, MoS₂)¹⁹. Esto se debe a su exquisita sensibilidad de fuerza (sub-nN) y desplazamiento (sub-nm), que es importante para determinar con precisión el punto de contacto inicial y permanecer dentro de la región de deformación elástica.

En la nanoindentación basada en voladizo AFM, el desplazamiento de una sonda AFM hacia la superficie de la muestra es accionado por un elemento piezoeléctrico calibrado (Figura 1B), con el voladizo flexible eventualmente doblado debido a la fuerza resistiva experimentada al contacto con la superficie de la muestra. Esta flexión o desviación del voladizo generalmente se monitorea reflejando un láser desde la parte posterior del voladizo y en un fotodetector (detector sensible a la posición [PSD]). Junto con el conocimiento de la rigidez en voladizo (en nN/nm) y la sensibilidad a la deflexión (en nm/V), es posible convertir esta deflexión en voladizo medida (en V) en la fuerza (en nN) aplicada a la muestra. Después del contacto, la diferencia entre el movimiento Z-piezo y la deflexión en voladizo produce la profundidad de indentación de la muestra. Combinado con el conocimiento de la función del área de punta, esto permite calcular el área de contacto punta-muestra. La pendiente de las porciones en contacto de las curvas de fuerza-distancia o fuerza-desplazamiento (F-D) resultantes se puede ajustar utilizando un modelo mecánico de contacto apropiado (consulte la sección Análisis de datos de la discusión) para determinar las propiedades nanomecánicas de la muestra. Si bien la nanoindentación basada en voladizo AFM posee algunas ventajas distintivas sobre la nanoindentación instrumentada como se describió anteriormente, también presenta varios desafíos prácticos de implementación, como la calibración, el desgaste de la punta y el análisis de datos, que se discutirán aquí. Otra desventaja potencial de la nanoindentación basada en voladizo AFM es la suposición de elasticidad lineal, ya que el radio de contacto y las profundidades de hendidura deben ser mucho más pequeñas que el radio del penetrador, lo que puede ser difícil de lograr cuando se trabaja con sondas AFM a nanoescala y / o muestras que exhiben una rugosidad superficial significativa.

Tradicionalmente, la nanoindentación se ha limitado a ubicaciones individuales o pequeños experimentos de indentación de cuadrícula, en los que se selecciona una ubicación deseada (es decir, región de interés [ROI]) y se realiza una sola sangría controlada, múltiples sangrías en una sola ubicación separadas por un tiempo de espera y / o una cuadrícula gruesa de sangrías a una velocidad del orden de Hz. Sin embargo, los avances recientes en AFM permiten la adquisición simultánea de propiedades mecánicas y topografía mediante la utilización de modos de imagen basados en curvas de fuerza de alta velocidad (a los que se refieren varios nombres comerciales según el fabricante del sistema), en los que las curvas de fuerza se realizan a una velocidad de kHz bajo control de carga, con la fuerza máxima de la muestra de punta utilizada como punto de ajuste de imagen. También se han desarrollado métodos de apuntar y disparar, lo que permite la adquisición de una imagen de topografía AFM seguida de una posterior nanoindentación selectiva en puntos de interés dentro de la imagen, lo que permite un control espacial a nanoescala sobre la ubicación de la nanoindentación. Si bien no es el enfoque principal de este trabajo, en los resultados representativos se presentan ejemplos de aplicaciones específicas seleccionadas tanto de imágenes basadas en curvas de fuerza como de nanoindentación basada en voladizos de apuntar y disparar, y se pueden usar junto con el protocolo descrito a continuación si está disponible en la plataforma AFM particular empleada. Específicamente, este trabajo describe un protocolo generalizado para la implementación práctica de la nanoindentación basada en voladizo AFM en cualquier sistema AFM capaz y proporciona cuatro ejemplos de casos de uso (dos en aire, dos en fluido) de la técnica, incluidos resultados representativos y una discusión en profundidad de los matices, desafíos y consideraciones importantes para emplear con éxito la técnica.