Аспирант
Graduate student
Аспирант
Graduate student
Кандидат физико-математических наук
Doctor of Physics and Mathematics
Академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор
Academician of NAS of Belarus, Professor, PhD in Engineering
Точность определения модуля упругости методом атомно-силовой микроскопии в значительной степени зависит от качества обработки экспериментальных данных, получаемых при наноиндентировании. В условиях вибрационных помех многократно повторенная калибровка может давать заниженное значение калибровочного коэффициента. Подобный артефакт вызван проскальзыванием зонда по более твердой, чем у исследуемого образца, и неоднородной по высоте поверхности кремниевой пластинки. При обработке данных наноиндентирования на малых глубинах внедрения зонда в образец модуль упругости, вычисленный по модели Герца, зависит от величины внедрения. За искомый модуль принимают значение, близкое к асимптотическому, т. е. получаемое при достаточно большой деформации объекта. Такая деформация не всегда возможна в эксперименте, либо достигается при слишком больших (десятки процентов) относительных деформациях, т. е. за пределами допустимой области применения модели Герца.
Целью работы является демонстрация нескольких новых возможностей обработки данных наноиндентирования как на этапе получения или уточнения калибровочного коэффициента атомно-силового микроскопа, так и при анализе кривой внедрения в исследуемый объект. Рассмотрены две методики определения калибровочного коэффициента на основе модели Герца, а также модели Джонсона – Кенделла – Робертса. Предложены новые способы определения модуля упругости методом атомно-силовой микроскопии. Показана возможность калибровки атомно-силового микроскопа по материалу с известными механическими свойствами, обосновывается необходимость и приводится алгоритм коррекции измеренной глубины внедрения зонда с учетом силы адгезии при вычислении модуля упругости в области малых деформаций образца. Предложенные способы определения калибровочного коэффициента и асимптотического значения модуля упругости будут полезны для получения воспроизводимых и более точных результатов атомно-силовой спектроскопии механических свойств.
Elastic modulus accuracy using atomic force microscopy depends significantly on processing quality of the experimental data obtained during nanoindentation. Multiply repeated calibration can lead to conservative value of the calibration factor. Such artefact is caused by probe slipping on silicon plate surface which is harder than surface of the investigated specimen and which is non-uniform in height. Elastic modulus calculated by the Hertz model depends on penetration value while processing the indentation data at small depth of the probe penetration into the specimen. A value being close to asymptotical one which is obtained at rather large object deformation is taken as a required modulus. Such deformation is not always possible in an experiment, or it is achieved with rather large (tens of percent) relative deformations that is beyond permissible region of the Hertz model application.
The purpose of this paper is to demonstrate several new opportunities for nanoindentation data processing, as at the stage of obtaining or verifying a calibration factor of the atomic force microscope so while analyzing an investigated object penetration curve. The paper considers two methodologies for determination of the calibration factor on the basis of the Hertz and Johnson-Kendall-Roberts models and proposes new mechanisms for determination of elastic modulus while using method of atomic force microscopy. The possibility to calibrate atomic force microscope according to material with known mechanical properties has been shown in the paper. The paper substantiates the necessity and provides an algorithm for correction of the measured probe penetration depth with due account of adhesive forces while calculating the in the region of small specimen deformations. The proposed methods for determination of the calibration factor and asymptotic value of the elastic modulus will be useful for obtaining reproducible and more accurate results of atomic force microscopy for mechanical properties.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.