原子力显微镜在纳米压痕研究中的应用

由于AFM具有原子级高分辨率,且放大倍率连续可调,探测过程中对样品表面无损伤,不需要高真空的必要工作条件,且体积小、成本低、性价比高,综合指标与其它常规显微手段相比优势明显。

纳米压痕又称深度敏感压痕技术,是近几年发展起来的一种新技术,它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直接得到薄膜材料的许多力学性质,例如弹性模量、硬度等。材料硬度的测试原理起源于1881年Hertz的压痕测定法,但该测定法受到所加负载大小与压痕边沿质量之间矛盾的限制,对于薄膜材料的测定很不精确。1992年Oliver和Pharr提出用纳米量级压痕的负荷6-6位移关系测试和分析材料的机械力学性质,特别是薄膜材料的显微硬度的新方法。采用Oliver和Pharr的新方法,微小压痕的深度只要达到几个纳米,就能从压痕的各项数据中推算出材料的显微硬度。这样就避免了压痕边沿碎裂、衬底影响等传统检测硬度技术的种种缺点,使得测量膜厚很小的薄膜材料的显微镜硬度成为可能。除此之外,使用这种新方法,还能根据压痕过程的加载和卸载曲线,研究材料的弹性模量。

在Oliver-Pharr方法中,金刚石压头压入材料表面的压入深度的位移(压入位移),随所加负荷的增加而单调增加,同时,在待测样品的弹性限度内压头与材料表面的接触面积也之增加。因此,在一个完整的加载-卸载测量周期中,可获得所需的压痕数据,从而导出显微硬度和弹性模量。

实验表明,由AFM测量的纳米级硬度值要大于由传统硬度测试仪所测量值,同时,随着AFM压入载荷的减小,纳米级硬度值呈现出增加的趋势。

原子力显微镜(AFM)秉承了扫描探针显微镜(SPM)家族的优异性能,不但在原子级形貌观测方面起不可替代的作用,同时凭借着测量中对力的极端敏感性,AFM还可以测量表面纳米尺度范围内的力学性质,例如磨损量,纳米润滑层的厚度,摩擦力和摩擦系数等。这些都将成为AFM应用的一种扩展,将极大地推动纳米摩擦学的研究。

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