原子力显微镜悬臂式纳米压痕：空气和流体中纳米级机械性能测量

了解材料的机械性能是工程中最基本和最重要的任务之一。对于散装材料性能的分析，有许多方法可用于表征材料系统的机械性能，包括拉伸试验¹，压缩试验²和三点或四点弯曲（弯曲）试验³。虽然这些微观测试可以提供有关散装材料特性的宝贵信息，但它们通常是在失败的情况下进行的，因此具有破坏性。此外，它们缺乏准确研究当今感兴趣的许多材料系统的微米和纳米级特性所需的空间分辨率，例如薄膜，生物材料和纳米复合材料。为了开始解决大规模机械测试的一些问题，主要是其破坏性，从矿物学中采用了显微硬度测试。硬度是衡量材料在特定条件下对塑性变形的抵抗力的指标。通常，显微硬度测试使用通常由硬化钢或金刚石制成的硬探头压入材料中。然后可以使用所得压痕深度和/或面积来确定硬度。已经开发了几种方法，包括维氏硬度⁴、努氏硬度 5 和布氏^{硬度 6};每个都提供了微观材料硬度的测量，但在不同的条件和定义下，因此仅产生可以与在相同条件下进行的测试进行比较的数据。

开发了仪器化纳米压痕，以改进通过各种显微硬度测试方法获得的相对值，提高用于分析机械性能的空间分辨率，并能够分析薄膜。重要的是，通过利用Oliver和Pharr⁷首先开发的方法，可以通过仪器化纳米压痕确定样品材料的弹性或杨氏模量E。此外，通过使用Berkovich三面锥体纳米压痕探头（其理想的尖端面积函数与维氏四面锥体探头相匹配）⁸，可以直接比较纳米级和更传统的微米级硬度测量。随着AFM的普及，基于AFM悬臂的纳米压痕也开始受到关注，特别是在测量较软材料的机械性能方面。因此，如图1所示，目前用于询问和量化纳米级机械性能的两种最常用的技术是仪器化纳米压痕（图1A）和基于AFM悬臂的纳米压痕（图1B）⁹，后者是本工作的重点。

图 1：仪器化和基于 AFM 悬臂的纳米压痕系统的比较。 示意图描述了用于进行（A）仪器化纳米压痕和（B）基于AFM悬臂的纳米压痕的典型系统。这个数字是从钱等人⁵¹修改而来的。缩写：AFM = 原子力显微镜。 请点击此处查看此图的大图。

仪器化和基于AFM悬臂的纳米压痕都使用刚性探针使感兴趣的样品表面变形，并监测合力和位移作为时间的函数。通常，所需的负载（即力）或（Z压电）位移曲线由用户 通过 软件界面指定并由仪器直接控制，而另一个参数则被测量。最常从纳米压痕实验中获得的机械性能是弹性模量（E），也称为杨氏模量，它具有压力单位。材料的弹性模量是与粘结刚度有关的基本属性，定义为在塑性变形开始之前，拉伸或压应力（σ，每单位面积施加的力）与轴向应变（ε，沿压痕轴的比例变形）之比（即可逆或暂时）变形（方程 [1]）：

（1）

应该注意的是，由于许多材料（特别是生物组织）实际上是粘弹性的，因此实际上，（动态或复杂）模量由弹性（存储，同相）和粘性（损失，异相）成分组成。在实际操作中，在纳米压痕实验中测量的是还原模量 E*，它与目标的真实样品模量 E有关，如公式（2）所示：

（二）

其中 E 尖端和 ν _尖端分别是纳米压痕尖端的弹性模量和泊松比，ν 是样品的估计泊松比。泊松比是横向应变与轴向应变的负比，因此表示样品在承受轴向应变时（例如，在纳米压痕载荷期间）的横向伸长程度，如公式（3）所示：

（三）

从降低模量转换为实际模量是必要的，因为a）压头尖端施加的一些轴向应变可以转换为横向应变（即，样品可能通过垂直于加载方向的膨胀或收缩而变形），以及b）压头不是无限硬的，因此压痕样品的行为导致尖端的一些（小）变形量。请注意，在E_尖端>>E的情况下（即压头比样品硬得多，这在使用金刚石探头时通常是正确的），减少的样品模量和实际样品模量之间的关系大大简化为E ≈ E*（1 – v²）。 虽然仪器化纳米压痕在准确的力表征和动态范围方面具有优势，但基于AFM悬臂的纳米压痕速度更快，提供更高数量级的力和位移灵敏度，可实现更高分辨率的成像和改进的压痕定位，并且可以同时探测纳米级的磁性和电学特性⁹.特别是，基于AFM悬臂的纳米压痕在纳米级软材料（例如，聚合物，凝胶，脂质双层和细胞或其他生物材料），极薄（亚μm）薄膜（基底效应可能取决于压痕深度）¹⁰，11和悬浮二维（2D）材料¹²，^13，14（例如石墨烯）的纳米级机械性能方面具有优越性15，¹⁶，云母^17，六方氮化硼（h-BN）18或过渡金属硫族化物（TMDC;例如MoS₂）¹⁹。这是由于其精细的力（sub-nN）和位移（sub-nm）灵敏度，这对于准确确定初始接触点并保持在弹性变形区域内非常重要。

在基于AFM悬臂的纳米压痕中，AFM探针向样品表面的位移由校准的压电元件驱动（图1B），柔性悬臂最终由于与样品表面接触时经历的电阻力而弯曲。悬臂的这种弯曲或偏转通常通过将激光从悬臂背面反射到光电探测器（位置敏感探测器 [PSD]）中来监测。再加上悬臂刚度（以nN / nm为单位）和偏转灵敏度（以nm/V为单位）的知识，可以将测量的悬臂挠度（以V为单位）转换为施加在样品上的力（以nN为单位）。接触后，Z-压电运动和悬臂偏转之间的差异会产生样品压痕深度。结合尖端面积功能的知识，可以计算尖端-样品接触面积。然后可以使用适当的接触力学模型（请参阅讨论的 数据分析 部分）拟合所得力-距离或力-位移（F-D）曲线的接触部分的斜率，以确定样品的纳米力学性能。虽然基于AFM悬臂的纳米压痕与上述仪器化纳米压痕相比具有一些明显的优势，但它也带来了一些实际实施挑战，例如校准，尖端磨损和数据分析，本文将对此进行讨论。基于AFM悬臂的纳米压痕的另一个潜在缺点是假设线性弹性，因为接触半径和压痕深度需要远小于压头半径，这在使用纳米级AFM探头和/或表现出显着表面粗糙度的样品时可能难以实现。

传统上，纳米压痕仅限于单个位置或小网格压痕实验，其中选择所需的位置（即感兴趣区域[ROI]）并且单个受控压痕，单个位置中的多个压痕由一些等待时间隔开，和/或以Hz量级的速率执行缩进的粗网格。然而，AFM的最新进展允许通过使用基于高速力曲线的成像模式（根据系统制造商的不同商品名称）同时获取机械性能和形貌，其中力曲线在负载控制下以kHz速率进行，最大尖端样品力用作成像设定点。还开发了傻瓜式方法，允许获取AFM形貌图像，然后在图像内的兴趣点进行选择性纳米压痕，从而对纳米压痕位置进行纳米级空间控制。虽然不是这项工作的主要重点，但代表性结果中提供了基于力曲线的成像和基于傻瓜悬臂的纳米压痕的特定 选定应用示例 ，并且可以与下面概述的协议结合使用（如果在采用的特定AFM平台上可用）。具体来说，这项工作概述了在任何有能力的AFM系统上实际实施基于AFM悬臂的纳米压痕的通用协议，并提供了该技术的四个用例示例（两个在空气中，两个在流体中），包括代表性结果和对细微差别的深入讨论，挑战和成功使用该技术的重要考虑因素。