Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Эффект разрушения исследуемых поверхностей при замедлении скорости сканирования. Замедление скорости сканирования (при фиксированной величине воздействующей силы) может приводить к разрушению исследуемой поверхности. Например, уменьшение размера кадра (при той же частоте строчной развертки приводит к уменьшению скорости сканирования (перемещения зонда по поверхности) и может вызывать разрушение поверхности, успешно сканируемой при больших размерах кадра при том же значении силы воздействия зонда.

На этом принципе основана методика формирования в тонких органических пленках искусственных дефектов: участок поверхности заданной площади сканируют при медленной скорости, что приводит к локальному разрушению пленки зондом и удалению ее материала с этого участка; затем при сканировании кадра большего размера (при увеличенной скорости сканирования) можно визуализировать искусственный дефект в пленке, размеры и форма которого совпадают с участком предварительного сканирования. С другой стороны, стоит отметить, что именно разрушение поверхности при уменьшении размера кадра (замедлении скорости перемещения зонда по поверхности) является основным препятствием при исследованиях молекулярной упаковки тонких пленок.

Можно было бы предположить, что механизм эффекта следующий. Характерное время установления упругих контактных деформаций составляет величину 10−6 с, что меньше или много меньше, чем время взаимодействия зонда и локального участка образца (10−3–10−5 с). Поэтому применение статических формул теории контактных деформаций для анализа результатов АСМ является оправданным, в силу чего глубину проникновения зонда в образец за счет упругих деформаций следует считать не зависящей от скорости сканирования. Таким образом, наблюдаемый эффект разрушения поверхности при замедлении скорости сканирования не связан с динамикой процесса упругих деформаций и должен быть обусловлен более медленными, неупругими процессами. Другими словами, разрушение поверхности имеет место в случае, когда характерное время взаимодействия зонда и локального участка образца становится сравнимым со временами неупругих процессов, связанных с локальным воздействием зонда (при достаточной величине силы воздействия).

266

Возможность достижения атомного (молекулярного) разрешения с помощью атомно-силового микроскопа. Соотношение

определяет латеральный размер области контакта зонда и образца при сканировании плоской подложки зондом с радиусом кривизны кончика R′ (при величине нагружающей силы F) и должно на первый взгляд рассматриваться как фундаментальный предел достижимого латерального разрешения АСМ при измерении топографии поверхности.

Рассчитанная по формуле (6.11) оценка (при типичных условиях АСМ-эксперимента a 1 нм) означает, что площадь области контакта имеет значение S 3 нм2. Если, например, сравнить ее с типичной величиной площади, приходящейся на одну молекулу в плотноупакованном ЛБ слое (0,2 нм2), то очевидно, что при сканировании в каждый момент времени имеет место контакт зонда не с одной, а с десятком и более молекул. Почему же в таком случае АСМ позволяет получать молекулярное (или атомное) разрешение при исследовании широкого спектра поверхностей кристаллических материалов и тонких пленок?

Для того чтобы совместить результаты теории контактных деформаций (значительную величину области контакта) с возможностью наблюдения атомной и молекулярной структуры поверхности методом АСМ, прибегают к предположению об игле, имеющей некоторую «особенность» ангстремных размеров. Представление, что при визуализации атомной структуры с поверхностью контактирует лишь некоторая «особенность» (один крайний атом) зонда, широко распространено в силу своей наглядности (в этом случае говорят об «истинном» атомном разрешении АСМ). Однако имеется также представление, что визуализация двумерной периодической структуры возможна и в случае, когда игла контактирует с исследуемой поверхностью несколькими атомами своего кончика (в этом случае говорят о «ложном» атомном разрешении).

Анализ влияния геометрии кончика иглы (один или несколько атомов, контактирующих с поверхностью) на формирование АСМизображений атомной упаковки исследуемых поверхностей рассматривался в литературе. Например, методом компьютерного моделирования исследовали ряд моделей: взаимодействие зонда с двумерной периодической структурой (атомной структурой поверхности) в случае, если зонд контактирует с поверхностью одним, тремя, четырьмя и девятью

267

крайними атомами (при различных расстояниях между атомами). Был сделан вывод, что «истинное» атомное разрешение возможно лишь при наличии единственного контактирующего с поверхностью атома иглы. Если контактирующих атомов несколько, то было показано, что и в этом случае возможна визуализация двумерной периодической структуры, характеризующейся теми же параметрами элементарной ячейки, что и реальная поверхностная решетка. Однако структура самой ячейки отображается неадекватно. При определенных условиях возможна инверсия контраста, т.е. наблюдение минимумов АСМ-изображения над атомами исследуемой поверхности и максимумов между ними. Точечный дефект (пропуск одного атома решетки) также неадекватно отображается на АСМ-изображении: имеет место перераспределение его вклада по некоторой области, и, при определенных условиях, возможна визуализация «ложного» атома на месте дефекта. Т.о. речь идет о достижении «ложного» атомного разрешения.

Авторы отмечают корреляцию полученных ими результатов с экспериментальными наблюдениями и делают вывод, что для достижения «истинного» атомного разрешения необходимо использовать иглу с единственным атомом на кончике (предлагая методику тестирования геометрии кончика иглы путем исследования точечных дефектов в атомной структуре поверхности тест-объекта).

Стоит отметить, что, несмотря на искажения реальной картины атомной или молекулярной упаковки при АСМ-визуализации (инверсия контраста, «потеря» одного атома в базисе для случая пирографита, различная спектральная плотность сечений вдоль эквивалентных направлений и т.п.), метод АСМ применим для определения параметров решетки поверхности. Действительно, визуализируемая двумерная структура характеризуется теми же векторами трансляции, что и реальная исследуемая поверхность.

Важной отличием изложенного подхода в сравнении с описанными в литературе является то, что он позволяет однозначно связать особенности (контраст, качество и пр.) получаемого АСМ-изображения атомной структуры поверхности с реальными параметрами эксперимента (силой воздействия зонда, модулями упругости зонда и образца, радиусом кривизны иглы и степенью ее асимметрии), а не с абстрактным «количеством атомов на кончике иглы».

268

6.4. Измерение механических свойств

Наноиндентирование. Метод определения твердости основан на измерении и анализе зависимости нагрузки от глубины внедрения индентора при вдавливании в поверхность материала. Данный метод лежит в основе международного стандарта на измерение твердости

ISO 14577.

Типичная для этого метода экспериментальная кривая в виде графика зависимости нагрузки P от глубины вдавливания h, а также отсканированное изображение отпечатка представлены на рис. 6.20, 6.21. Кривая состоит из двух частей, соответствующих процессу нагружения и разгрузки.

аб

Рис. 6.20. Общий вид кривой нагружения (а) и схема контакта с обозначениями величин, используемых в методике расчета модуля упругости и твердости (б)

Рис. 6.21. Отпечаток индентора на поверхности стали

269

В рамках данного метода твердость H образца определяется уравнением

Здесь Ас – это площадь проекции отпечатка при максимальном значении приложенной нагрузки Pmax.

Значение приведенного модуля упругости рассчитывается следующим образом:

Здесь константа β зависит от формы индентора, а жесткость контакта S определяется по углу наклона касательной к кривой разгружения в точ-

ке Pmax.

Площадь контакта при максимальной нагрузке Ас определяется геометрией индентора и глубиной контакта hc и описывается так называемой функций формы иглы Ас = f (hc).

Наноцарапание. Позволяет выполнять измерение нанотвердости материалов, в том числе твердых и сверхтвердых пленок и покрытий.

Рис. 6.22. Наноцарапание

Наноцарапание – возможность измерения нанотвердости тонких покрытий и пленок путем царапания поверхности покрытия алмазным зондом и сканирования тем же зондом участка с царапиной для определения ее ширины (рис. 6.22). Нанотвердость царапанием рассчитывают

270