Nanotechnologia

Mapowanie właściwości mechanicznych w nanoskali – nowoczesne podejście do badania materiałów

Nanoindentacja jest techniką służącą do ilościowego pomiaru właściwości mechanicznych materiałów w bardzo małych obszarach. Polega ona na wprowadzaniu sondy pomiarowej (wgłębnika) o określonej geometrii do badanego materiału, prostopadle do jego powierzchni, i jednoczesnym pomiarze zależności między przyłożoną siłą a wynikowym przesunięciem wgłębnika. Uzyskana krzywa siły w funkcji przemieszczenia określa odpowiedź materiału na odkształcenie i pozwala określić mechanizm tego odkształcenia oraz wyznaczyć wiele parametrów nanomechanicznych materiału, takich jak moduł Younga i twardość instrumentalna.
Modele stosowane do wyznaczania nanotwardości powierzchni zazwyczaj zakładają, że powierzchnia próbki jest płaska oraz jednorodna. Jednakże rzeczywistość, zwłaszcza w nanoskali, jest dalece odmienna chociażby ze względu na obecność defektów, wydzieleń i wtrąceń W konsekwencji wnoszenie o właściwościach powierzchni na podstawie pojedynczych pomiarów jest zbyt daleko idącym uśrednieniem, gdyż w rzeczywistości na powierzchni możemy mieć do czynienia ze zmiennością tych parametrów. Dlatego, do pełniejszej charakterystyki pomocne jest mapowanie właściwości mechanicznych – tzn. automatyczne określanie ich dla wielu punktów na powierzchni badanego materiału.
W chwili obecnej wyznacznikiem w dziedzinie bardzo szybkiej, wielopunktowej nanoindentacji jest technologia Hysitron® XPM™ (ang. Accelerated Property Mapping). Umożliwia ona przeprowadzenie pomiaru aż w sześciu punktach w ciągu jednej sekundy, czyli ponad 500x szybciej niż konwencjonalne technologie. Dzięki temu, mapowanie staje się standardem zastępującym klasyczną, punktową nanoindentację. Uzyskanie tak dużej szybkości możliwe jest dzięki połączniu trzech kluczowych rozwiązań stosowanych przez firmę Bruker Nano Surface. Najważniejszym elementem jest opatentowany przetwornik (ang. Transducer), z którym zsynchronizowany jest skaner piezoelektryczny (Rysunek 1). Całość sterowana jest za pośrednictwem nowoczesnego kontrolera Performech II®.

Rysunek 1. Głowica pomiarowa Hysitron

Przetwornik zadaje obciążenie i kontroluje przemieszczenie wgłębnika. Generowane w nim siły elektrostatyczne pomiędzy elektrodami przyjmują stosunkowo małe wartości i są łatwe do kontrolowania, co pozwala uzyskać rozdzielczość zadawanych obciążeń na poziomie nanoniutonów. Ten typ czujników pojemnościowych zapewnia również pomiar przemieszczeń z ultrawysoką dokładnością, nawet w skali subnanometrycznej. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt, że charakteryzują się one minimalnym wydzielaniem ciepła, dzięki czemu dryft termiczny jest minimalny, co przekłada się na dużą dokładność wyników.
Sprzężenie przetwornika ze skanerem piezoelektrycznym w jeden układ pozwala dodatkowo na akwizycję wysokorozdzielczych map topografii powierzchni (obrazowanie SPM). Do wygenerowania obrazów powierzchni wykorzystuje się ten sam wgłębnik co do indentacji. Niewątpliwą zaletą takiego rozwiązania jest możliwość dokładnego pozycjonowania wgłębnika w interesującym punkcie, np. na granicy faz.
Na Rysunkach 2 i 3 pokazano przykładowe wyniki uzyskane z wykorzystaniem XPM. Wykonanie skanu matrycy 20×20 punktów zajęło niecałe 2 minuty. Dla porównania, konwencjonalny pojedynczy pomiar nanoindentacji zajmuje ok. 90 sekund, co daje nawet 10 godzin na wykonanie takiej samej mapy. Technologia XPM dostępna w urządzeniach Hysitron firmy Bruker umożliwia zdecydowanie szybszą akwizycję danych, a uzyskane wyniki skorelowane są z podglądem optycznym oraz mapą topografii SPM.
Miło nam podsumować, że laboratoria naukowe i przemysłowe uzyskują wreszcie narzędzie, które pozwala otrzymywać mapy właściwości mechanicznych w szybki i rutynowy sposób.