WikiDer > Атомно-силовая акустическая микроскопия

Atomic force acoustic microscopy
AFAM

Атомно-силовая акустическая микроскопия (AFAM) является разновидностью сканирующая зондовая микроскопия (SPM). Это комбинация акустика и атомная сила микроскопия. Принципиальное отличие AFAM от других форм SPM заключается в добавлении преобразователь в нижней части образца, что вызывает продольные колебания образца вне плоскости. Эти колебания ощущаются консоль и наконечник называется зондом. Показанный здесь рисунок представляет собой четкую схему принципа AFAM, здесь B - увеличенная версия наконечника и образца, помещенного на датчик, а наконечник имеет некоторое оптическое покрытие, обычно золотое покрытие для отражения лазерного света на датчике. фотодиод.

С помощью этого прибора можно измерять любой тип материала. микроскоп. Особенно, Нано-масштаб свойства, такие как модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона можно измерить.

Используемая частота развертки составляет от нескольких кГц до МГц, сохраняя постоянную амплитуду синусоидальной волны. Синусоидальные продольные волны воспринимаются зондом, а отклонение зонда обнаруживается лазерным светом, сфокусированным на позиционно-чувствительном фотодиоде (PSPD). Это отклонение отраженного лазерного луча от кантилевера (зонда) указывает на изгибные и крутильные параметры образца. Высокочастотный сигнал отправляется на синхронный усилитель и коррелирован с опорным сигналом, отправленным генератором сигналов, для формирования изображения AFAM.

С развитием атомно-силовой микроскопии появилось много режимов и связанных с ними методов. Ультразвуковая силовая микроскопия, ультразвуковая атомно-силовая микроскопия, сканирующая акустическая силовая микроскопия и AFAM - все они подразделяются на ближнепольная микроскопия методы, называемые контактной резонансной силовой микроскопией (CRFM). Методики CRFM в основном зависят от расчета контакта резонанс частоты и как они смещаются с вариациями (например, преципитаты и матрица) в образце.

История

Атомно-силовая акустическая микроскопия (AFAM) была первоначально разработана Рабе и Арнольдом. [1] от Институт неразрушающего контроля им. Фраунгофера в 1994. В настоящее время методика используется для качественного и количественного измерения локальных упругих свойств материалов. AFAM был использован Anish Kumar et al.[2][3] для картирования выделений в поликристаллических материалах.

Система атомно-силовой акустической микроскопии

Принцип

В установке AFAM образец соединен с пьезоэлектрический преобразователь. Это излучает в образец продольные акустические волны, вызывая колебания поверхности образца вне плоскости. Вибрации передаются на кантилевер через наконечник датчика. Колебания кантилевера измеряются четырехсекционным фотодиодом и оцениваются синхронным усилителем. Эта установка может использоваться либо для получения спектров вибрации кантилевера, либо для получения акустических изображений. Последние представляют собой карты амплитуд кантилевера на фиксированной частоте возбуждения вблизи резонанса. Изображение топографии в контактном режиме получается одновременно с акустическим.

Используемый частотный диапазон охватывает режимы изгиба кантилевера от 10 кГц до 5 МГц со средней частотой около 3 МГц. Его можно использовать для отображения изменений модуля упругости между выделениями и матрицей материала, так что можно определить даже упругие свойства тонких пленок. Может использоваться в воздушной, вакуумной и жидкой средах.

Зонды, используемые для AFAM, состоят из нитрид кремния (Si3N4) или же кремний (Si). Используются консоли с низкой жесткостью пружины (0,01-0,5 Н / м) для мягких материалов и высокой жесткостью пружины (42-50 Н / м) для твердых материалов. Внутри конструкции зонда материалы кантилевера и наконечника могут быть разными. Наконечники обычно изготавливаются с использованием анизотропный травление или осаждение из паровой фазы. Зонд размещается под углом около 11-15 градусов к горизонтальной оси.

Для расчетов в AFAM используются две модели: модель динамики кантилевера и модель динамики. контактная механика модель. Используя эти две модели, можно определить упругие свойства материалов. Все расчеты производятся с использованием LabView программного обеспечения. Частота собственных мод кантилевера зависит, среди прочих параметров, от жесткости контакта зонд-образец и от радиуса контакта, которые, в свою очередь, являются функцией Модуль для младших образца и наконечника, радиуса наконечника, нагрузки, оказываемой наконечником, и геометрии поверхности. Такой метод позволяет определить Модуль для младших от контактной жесткости с разрешением в несколько десятков нанометров модовая чувствительность составляет около 5%.

Модели

Для расчета упругих свойств материалов нам необходимо рассмотреть две модели:[4] консоль динамическая модель - расчет k * (контактной жесткости); и Герц контактная модель - контактная механика - расчет приведенного модуля упругости (E *) образца с учетом площади контакта.

Процедура расчета упругих свойств различных материалов

Использование двух упомянутых выше моделей приведет нас к правильному определению различных упругих свойств различных материалов. При расчете необходимо учитывать следующие шаги:

  • Получите контактные резонансы для любых двух режимов изгиба.
  • Эти два режима можно приобретать по отдельности или одновременно. Важность одновременного приобретения была продемонстрирована Phani et al.[5]
  • Измеряя частоты контактного резонанса двух мод, можно написать два уравнения, содержащие два неизвестных значения L1 и k *. Построив k * как функцию положения наконечника (L1 / L) для двух режимов, можно получить две кривые, точка пересечения которых дает уникальное значение k * системы, использующей оба режима.
  • Используя контактную модель Герца, k * можно преобразовать в E *. Поскольку точное измерение R наконечника очень сложно; измерение на эталонном образце выполняется, чтобы исключить необходимость знания значения R. Контрольный образец может быть аморфным материалом или монокристаллом.

Преимущества перед другими процессами SPM

  • Частотные сдвиги легче точно измерить, чем абсолютные амплитуды или фазу.
  • Может использоваться как в воздухе, так и в жидкой среде (в виде капли).
  • Может тестировать любой тип материала.
  • Разрешение на атомарном уровне.
  • Возможна характеристика дефектов и обнаружение скрытых структур.
  • Количественная характеристика слоев наноматериалов.
  • Количественные и качественные измерения в наномасштабе.
  • Измерения демпфирования на наноуровне, которые могут дать реальное представление о зарождении и распространении трещин, что очень важно в случае конструкционных материалов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Rabe, U .; Арнольд, В. (21 марта 1994 г.). «Акустическая микроскопия методом атомно-силовой микроскопии». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 64 (12): 1493–1495. Дои:10.1063/1.111869. ISSN 0003-6951.
  2. ^ Азимов А.Е., Саунин С.А. »Атомно-силовая акустическая микроскопия как инструмент анализа эластичности полимеров" SPM 2002 Труды. С.79.[постоянная мертвая ссылка]
  3. ^ Кумар, Аниш; Рабе, Юте; Арнольд, Уолтер (18 июля 2008 г.). «Картирование упругой жесткости в α + β титановом сплаве с использованием атомно-силовой акустической микроскопии». Японский журнал прикладной физики. Японское общество прикладной физики. 47 (7): 6077–6080. Дои:10.1143 / jjap.47.6077. ISSN 0021-4922.
  4. ^ "Атомно-силовая акустическая микроскопия », Уте Рабе
  5. ^ Калян Фани, М .; Кумар, Аниш; Джаякумар, Т. (20 мая 2014 г.). «Картирование упругости дельта-осадка в сплаве 625 с использованием атомно-силовой акустической микроскопии с новым подходом к устранению влияния состояния наконечника». Письма в философский журнал. Informa UK Limited. 94 (7): 395–403. Дои:10.1080/09500839.2014.920538. ISSN 0950-0839.

внешняя ссылка