Atomik Kuvvet Mikroskobu Konsol Tabanlı Nanogirinti: Hava ve Sıvıda Nanoölçekte Mekanik Özellik Ölçümleri

Malzemelerin mekanik özelliklerini anlamak, mühendislikteki en temel ve temel görevlerden biridir. Dökme malzeme özelliklerinin analizi için, malzeme sistemlerinin mekanik özelliklerini karakterize etmek için çekme testleri¹, sıkıştırma testleri² ve üç veya dört noktalı eğilme (eğilme) testleri³ dahil olmak üzere çok sayıda yöntem mevcuttur. Bu mikro ölçekli testler, dökme malzeme özellikleri hakkında paha biçilmez bilgiler sağlayabilirken, genellikle başarısızlığa uğrar ve bu nedenle yıkıcıdır. Ek olarak, ince filmler, biyolojik malzemeler ve nanokompozitler gibi günümüzde ilgi çekici olan birçok malzeme sisteminin mikro ve nano ölçekli özelliklerini doğru bir şekilde araştırmak için gerekli mekansal çözünürlükten yoksundurlar. Büyük ölçekli mekanik testlerle ilgili bazı problemleri, özellikle de yıkıcı doğasını ele almaya başlamak için, mikrosertlik testleri mineralojiden benimsenmiştir. Sertlik, bir malzemenin belirli koşullar altında plastik deformasyona karşı direncinin bir ölçüsüdür. Genel olarak, mikrosertlik testleri, bir malzemeye girinti yapmak için genellikle sertleştirilmiş çelik veya elmastan yapılmış sert bir prob kullanır. Elde edilen girinti derinliği ve / veya alanı daha sonra sertliği belirlemek için kullanılabilir. Vickers⁴, Knoop⁵ ve Brinell⁶ sertliği dahil olmak üzere çeşitli yöntemler geliştirilmiştir; Her biri mikro ölçekli malzeme sertliğinin bir ölçüsünü sağlar, ancak farklı koşullar ve tanımlar altında ve bu nedenle yalnızca aynı koşullar altında gerçekleştirilen testlerle karşılaştırılabilecek veriler üretir.

Aletli nanogirinti, çeşitli mikrosertlik test yöntemleri ile elde edilen nispi değerleri iyileştirmek, mekanik özelliklerin analizi için mümkün olan uzamsal çözünürlüğü geliştirmek ve ince filmlerin analizini sağlamak için geliştirilmiştir. Önemli olarak, ilk olarak Oliver ve Pharr⁷ tarafından geliştirilen yöntem kullanılarak, bir numune malzemesinin elastik veya Young modülü E, aletli nanogirinti yoluyla belirlenebilir. Ayrıca, bir Berkovich üç taraflı piramidal nanoindenter probu (ideal uç alanı fonksiyonu Vickers dört taraflı piramidal probunkiyle eşleşir)⁸ kullanılarak, nano ölçekli ve daha geleneksel mikro ölçekli sertlik ölçümleri arasında doğrudan karşılaştırma yapılabilir. AFM’nin popülaritesinin artmasıyla birlikte, AFM konsol bazlı nanogirinti, özellikle daha yumuşak malzemelerin mekanik özelliklerini ölçmek için de dikkat çekmeye başladı. Sonuç olarak, Şekil 1’de şematik olarak gösterildiği gibi, nano ölçekli mekanik özellikleri sorgulamak ve ölçmek için günümüzde en yaygın olarak kullanılan iki teknik, bu çalışmanın odak noktası olan aletli nanogirinti (Şekil 1A) ve AFM konsol tabanlı nanogirinti (Şekil 1B)^9’dur.

Şekil 1: Aletli ve AFM konsol bazlı nanogirinti sistemlerinin karşılaştırılması. (A) aletli nanogirinti ve (B) AFM konsol tabanlı nanogirinti iletmek için tipik sistemleri gösteren şematik diyagramlar. Bu rakam Qian ve ^ark.51’den değiştirilmiştir. Kısaltma: AFM = atomik kuvvet mikroskobu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Hem aletli hem de AFM konsol bazlı nanogirinti, ilgilenilen bir numune yüzeyini deforme etmek ve ortaya çıkan kuvveti ve yer değiştirmeyi zamanın bir fonksiyonu olarak izlemek için sert bir prob kullanır. Tipik olarak, istenen yük (yani kuvvet) veya (Z-piezo) yer değiştirme profili, kullanıcı tarafından yazılım arayüzü aracılığıyla belirlenir ve diğer parametre ölçülürken doğrudan cihaz tarafından kontrol edilir. Nanogirinti deneylerinden en sık elde edilen mekanik özellik, basınç birimlerine sahip Young modülü olarak da adlandırılan elastik modüldür (E). Bir malzemenin elastik modülü, bağ sertliği ile ilgili temel bir özelliktir ve plastik deformasyonun başlamasından önce elastik (yani tersinir veya geçici) deformasyon sırasında çekme veya basınç gerilmesinin (σ, birim alan başına uygulanan kuvvet) eksenel gerinime (ε, girinti ekseni boyunca orantılı deformasyon) oranı olarak tanımlanır (denklem [1]):

(1)

Birçok malzemenin (özellikle biyolojik dokuların) aslında viskoelastik olması nedeniyle, gerçekte, (dinamik veya karmaşık) modülün hem elastik (depolama, faz içinde) hem de viskoz (kayıp, faz dışı) bileşenlerden oluştuğu belirtilmelidir. Gerçek uygulamada, bir nanogirinti deneyinde ölçülen şey, denklemde (2) gösterildiği gibi, ilgilenilen gerçek numune modülü E ile ilişkili olan indirgenmiş modül E * ‘dir:

(2)

Burada E ucu ve ν _ucu, nanoindenter ucunun sırasıyla elastik modülü ve Poisson oranıdır ve ν, numunenin tahmini Poisson oranıdır. Poisson oranı, enine eksenel gerinimin negatif oranıdır ve bu nedenle, denklemde (3) gösterildiği gibi, eksenel gerinimlere (örneğin, nanogirinti yüklemesi sırasında) maruz kalındığında bir numunenin enine uzama derecesini gösterir:

(3)

İndirgenmiş modülden gerçek modüle dönüşüm gereklidir, çünkü a) girinti ucu tarafından verilen eksenel gerinimin bir kısmı enine gerinime dönüştürülebilir (yani, numune yükleme yönüne dik olarak genleşme veya büzülme yoluyla deforme olabilir) ve b) girinti ucu sonsuz derecede sert değildir ve bu nedenle numuneyi girintileme eylemi, ucun bir miktar (küçük) deformasyonuna neden olur. E _{ucunun E >>} durumunda (yani, girinti ucu numuneden çok daha zordur, ki bu genellikle bir elmas probu kullanıldığında doğrudur), indirgenmiş ve gerçek numune modülü arasındaki ilişkinin E ≈ E * (1 – v²) için büyük ölçüde basitleştirildiğini unutmayın. Aletli nanogirinti, doğru kuvvet karakterizasyonu ve dinamik aralık açısından üstün olsa da, AFM konsol tabanlı nanogirinti daha hızlıdır, büyüklük sıralarında daha fazla kuvvet ve yer değiştirme hassasiyeti sağlar, daha yüksek çözünürlüklü görüntüleme ve gelişmiş girinti konumlandırma sağlar ve aynı anda nano ölçekli manyetik ve elektriksel özellikleri araştırabilir⁹. Özellikle, AFM konsol bazlı nanogirinti, yumuşak malzemelerin (örneğin, polimerler, jeller, lipit çift katmanları ve hücreler veya diğer biyolojik malzemeler), son derece ince (alt μm) filmlerin (girinti derinliğine bağlı olarak substrat etkilerinin devreye girebileceği) ^nano ölçekte mekanik özelliklerin nicelleştirilmesi için üstündür.10,11 ve grafen gibi asılı iki boyutlu (2D) malzemeler^{12,13,1415,16}, mika¹⁷, altıgen bor nitrür (h-BN)18 veya geçiş metali dikalkojenitler (TMDC’ler; örneğin, MoS₂)¹⁹. Bunun nedeni, ilk temas noktasını doğru bir şekilde belirlemek ve elastik deformasyon bölgesinde kalmak için önemli olan mükemmel kuvvet (sub-nN) ve yer değiştirme (sub-nm) hassasiyetidir.

AFM konsol bazlı nanogirintide, bir AFM probunun numune yüzeyine doğru yer değiştirmesi, kalibre edilmiş bir piezoelektrik eleman (Şekil 1B) tarafından harekete geçirilir ve esnek konsol, numune yüzeyiyle temas ettiğinde yaşanan dirençli kuvvet nedeniyle sonunda bükülür. Konsoldaki bu bükülme veya sapma tipik olarak bir lazeri konsol arkasından ve bir fotodetektöre (konuma duyarlı dedektör [PSD]) yansıtarak izlenir. Konsol sertliği (nN/nm cinsinden) ve sapma hassasiyeti (nm/V cinsinden) bilgisi ile birleştiğinde, ölçülen bu konsol sapmasını (V cinsinden) numuneye uygulanan kuvvete (nN cinsinden) dönüştürmek mümkündür. Temasın ardından, Z-piezo hareketi ile konsol sapması arasındaki fark, numune girinti derinliğini verir. Uç alanı fonksiyonunun bilgisi ile birleştiğinde, bu, uç-numune temas alanının hesaplanmasını sağlar. Elde edilen kuvvet-mesafe veya kuvvet-yer değiştirme (F-D) eğrilerinin temas halindeki kısımlarının eğimi, numunenin nanomekanik özelliklerini belirlemek için uygun bir temas mekaniği modeli (tartışmanın Veri Analizi bölümüne bakınız) kullanılarak sığdırılabilir. AFM konsol bazlı nanogirinti, yukarıda açıklandığı gibi aletli nanogirintiye göre bazı belirgin avantajlara sahip olsa da, burada tartışılacak olan kalibrasyon, uç aşınması ve veri analizi gibi çeşitli pratik uygulama zorlukları da sunmaktadır. AFM konsol tabanlı nanogirintinin bir diğer potansiyel dezavantajı, temas yarıçapı ve girinti derinliklerinin, nano ölçekli AFM probları ve / veya önemli yüzey pürüzlülüğü sergileyen numunelerle çalışırken elde edilmesi zor olabilen indenter yarıçapından çok daha küçük olması gerektiğinden, doğrusal elastikiyet varsayımıdır.

Geleneksel olarak, nanogirinti, istenen bir konumun (yani, ilgi alanı [ROI]) seçildiği ve tek bir kontrollü girinti, bir miktar bekleme süresi ile ayrılmış tek bir konumda birden fazla girinti ve / veya kaba bir girinti ızgarasının Hz sırasına göre bir oranda gerçekleştirildiği bireysel konumlar veya küçük ızgara girinti deneyleri ile sınırlandırılmıştır. Bununla birlikte, AFM’deki son gelişmeler, yüksek hızlı kuvvet eğrisi tabanlı görüntüleme modlarının (sistem üreticisine bağlı olarak çeşitli ticari isimlerle anılır) kullanılmasıyla mekanik özelliklerin ve topografyanın eşzamanlı olarak edinilmesine izin verir; burada kuvvet eğrileri, görüntüleme ayar noktası olarak kullanılan maksimum uç-numune kuvveti ile yük kontrolü altında bir kHz hızında gerçekleştirilir. Bir AFM topografya görüntüsünün elde edilmesine ve ardından görüntü içindeki ilgi çekici noktalarda seçici nanogirintinin ardından nanogirinti konumu üzerinde nano ölçekli mekansal kontrol sağlayan bas ve çek yöntemleri de geliştirilmiştir. Bu çalışmanın birincil odağı olmasa da, hem kuvvet eğrisi tabanlı görüntüleme hem de bas ve çek konsol tabanlı nanogirintinin spesifik seçilmiş uygulama örnekleri temsili sonuçlarda sunulmuştur ve kullanılan belirli AFM platformunda mevcutsa aşağıda özetlenen protokolle birlikte kullanılabilir. Spesifik olarak, bu çalışma, herhangi bir yetenekli AFM sisteminde AFM konsol tabanlı nanogirintinin pratik uygulaması için genelleştirilmiş bir protokolü özetlemektedir ve temsili sonuçlar ve tekniğin başarılı bir şekilde kullanılması için nüansların, zorlukların ve önemli hususların derinlemesine tartışılması da dahil olmak üzere tekniğin dört kullanım örneği (ikisi havada, ikisi sıvıda) sunmaktadır.