MEMS для на месте определения механических характеристик
MEMS для in situ определения механических характеристик относится к микроэлектромеханическим системам (MEMS), используемым для измерения механических свойств (таких как модуль Юнга и прочность на излом ) наноразмерных образцов, таких как нанопроволоки , наностержни , усы, нанотрубки и тонкие пленки . Они отличаются от других методов наномеханического тестирования, поскольку сенсорные и исполнительные механизмы встроены и/или совместно изготовлены в микросистеме , обеспечивая — в большинстве случаев — большую чувствительность и точность.
Такой уровень интеграции и миниатюризации позволяет проводить механическую характеристику in situ , т. е. проводить испытания, наблюдая за развитием образца с помощью инструментов с большим увеличением, таких как оптические микроскопы , сканирующие электронные микроскопы (SEM), просвечивающие электронные микроскопы (TEM) и рентгеновские микроскопы. лучевые установки. Кроме того, аналитические возможности этих инструментов, такие как спектроскопия и дифракция, можно использовать для дальнейшей характеристики образца, обеспечивая полную картину эволюции образца по мере его нагрузки и разрушения. Благодаря развитию зрелых технологий микропроизводства МЭМС использование этих микросистем в исследовательских целях в последние годы растет.
Большинство текущих разработок направлены на проведение механических испытаний in situ в сочетании с другими типами измерений, таких как электрические или термические, а также на расширение диапазона тестируемых образцов до биологической области, проверяя такие образцы, как клетки и коллагеновые фибриллы.
Механическая характеристика на наноуровне
[ редактировать ]Типичные макромасштабные механические характеристики в основном выполняются в условиях одноосного растяжения. Несмотря на существование других методов определения механических характеристик, таких как трехточечный изгиб, испытание на твердость и т. д., испытание на одноосное растяжение позволяет измерить наиболее фундаментальные механические измерения образца, а именно его кривую растяжения. По этой кривой можно рассчитать важные свойства, такие как модуль Юнга, предел текучести, прочность на излом. Другие свойства, такие как прочность и пластичность, также могут быть рассчитаны.
На наноуровне из-за уменьшенного размера образца, а также измеряемых сил и смещений одноосные испытания или любые механические испытания в этом отношении являются сложной задачей. В результате большинство испытаний проводятся в конфигурациях, отличных от одноосного растяжения, с использованием доступных наноразмерных научных инструментов, таких как атомно-силовой микроскоп (АСМ) для выполнения испытания на трехточечный изгиб, SEM и TEM для проведения резонансных испытаний на изгиб и наноинденторы для выполнения испытаний. испытания на сжатие. В последние годы было обнаружено, что результаты не являются полностью однозначными. Об этом свидетельствует тот факт, что разные исследователи получали разные значения одного и того же свойства для одного и того же материала. [1] Это стимулировало развитие МЭМС с возможностью проведения испытаний на растяжение отдельных наноразмерных элементов.
Исторический контекст и современное состояние
[ редактировать ]Интерес к наномеханическим испытаниям изначально был вызван необходимостью охарактеризовать материалы, которые использовались при изготовлении МЭМС. Уильям Н. Шарп из Университета Джонса Хопкинса провел новаторскую работу по тестированию микромасштабных образцов поликристаллического кремния. [2] Некоторые из первоначальных разработок состояли в основном из миниатюрных версий универсальных испытательных машин , которые изготавливались с использованием стандартных методов механической обработки. Тем не менее, был сделан важный вклад и понимание механизмов захвата образцов и механики материалов в микронном масштабе. Точно так же Орасио Д. Эспиноза из Северо-Западного университета разработал эксперимент по отклонению мембраны. [3] который использовался на уровне MEMS [4] а также в тонкопленочных образцах. Последнее исследование выявило первые экспериментальные доказательства размерной пластичности тонких металлических отдельно стоящих пленок. [5] Позже исследования размерного эффекта были проведены на монокристаллических столбиках с использованием наноиндентирования микроизготовленных образцов с помощью сфокусированного ионного пучка. [1]
Позже можно упомянуть Тахера Саифа из Университета Иллинойса в Урбане Шампейн за разработку микрофабрикатов. [6] несколько результатов in situ SEM и TEM для тонких пленок. Его группа продемонстрировала [7] включая сцену для одновременных электрических и механических испытаний, хотя в этой установке использовались внешнее срабатывание и датчики. [8] Крупный прорыв в интеграции МЭМС-электроники был сделан Орасио Д. Эспиноза и его группой в Северо-Западном университете. Они спроектировали и разработали настоящую МЭМ-систему, включающую емкостные датчики для электронного измерения нагрузки и термическое срабатывание для деформации образца в одном чипе. [9] Системой можно было бы управлять внутри просвечивающего электронного микроскопа. Платформа на базе МЭМС была применена для исследования образцов поликремния. [10] многостенные УНТ [11] и в последнее время металлик [10] и полупроводниковые нанопровода. [12] [13] В частности, с помощью этого устройства впервые была экспериментально измерена теоретическая прочность углеродных нанотрубок. [11]
Вслед за этими новаторскими работами другие исследовательские группы приступили к разработке собственных МЭМС для механических испытаний. Важным примером может служить группа деБоера из Национальной лаборатории Сандия, которая специализируется на тестировании образцов поликремния. [14] В Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) группой Михлера было разработано устройство с электростатическим приводом, аналогичное оригинальной конструкции Эспинозы, по технологии кремния на изоляторе. [15] Преимуществом этих устройств является более высокое соотношение сторон и, следовательно, более высокая чувствительность чувствительных структур. Некоторые другие исследователи разработали другие устройства, следуя моделям Эспинозы, Саифа и Хака; например Виктор Брайт из Университета Колорадо в Боулдере. [16] Технология достигла такого уровня зрелости, что теперь Центр интегрированных нанотехнологий (CINT) в Национальной лаборатории Сандии предлагает стандартные устройства исследователям, заинтересованным в механических испытаниях наноразмерных образцов. [17]
Будущие направления
[ редактировать ]Несколько методов наномеханической характеристики дали множество результатов для свойств материи на наноуровне. Постоянно обнаруживается, что механические свойства материалов изменяются в зависимости от размера. В металлах модуль упругости, предел текучести и прочность на разрушение увеличиваются, тогда как в полупроводниковых хрупких материалах наблюдается либо увеличение, либо уменьшение в зависимости от материала. [1]
Открытие того, что механические свойства по своей сути зависят от размера, стимулировало теоретический и экспериментальный интерес к зависимости от размера других свойств материала, таких как тепловые и электрические; а также связанные эффекты, такие как электромеханическое или термомеханическое поведение. Особый интерес был сосредоточен на характеристике электромеханических свойств, таких как пьезорезистивность и пьезоэлектричество. В настоящее время основное внимание при разработке МЭМС для испытаний на месте уделяется этой области с примерами из Хаке, Эспинозы и Чжана. [18]
С другой стороны, учитывая, что МЭМС продемонстрировала себя как осуществимая технология для характеристики механических свойств на наноуровне, стали искаться возможности применения этой технологии для решения других типов проблем. В частности, интерес вызывают биологические системы, поскольку понимание механики биологических систем находит применение в диагностике и лечении заболеваний, а также в разработке новых материалов. Размеры при биологических испытаниях находятся в микронном диапазоне, а структуры обычно очень податливы. Это требует разработки устройств с большими возможностями перемещения и очень высоким разрешением по силе. Недавними примерами являются характеристики растяжения коллагеновых фибрилл. [19] [20] и пучки ДНК. [21]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Агравал Р. и Эспиноза HD (2009). «Многомасштабные эксперименты: современное состояние и оставшиеся проблемы». Журнал инженерных материалов и технологий . 131 (4): 0412081–04120815. дои : 10.1115/1.3183782 . S2CID 16778097 .
- ^ Шарп, WN (2008). «Обзор методов испытания тонких пленок на растяжение». Дело МРС . 1052 : 3–14. дои : 10.1557/PROC-1052-DD01-01 .
- ^ Эспиноза, HD, BC Пророк и М. Фишер (2003). «Методология определения механических свойств отдельно стоящих тонких пленок и материалов МЭМС». Журнал механики и физики твердого тела . 51 (1): 47–67. Бибкод : 2003JMPSo..51...47E . дои : 10.1016/S0022-5096(02)00062-5 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эспиноза, Х.Д., Ю. Чжу, М. Фишер и Дж. Хатчинсон (2003). «Экспериментальный/вычислительный подход к определению модулей и остаточных напряжений в радиочастотных переключателях MEMS» (PDF) . Экспериментальная механика . 43 (3): 309–316. дои : 10.1007/BF02410529 . S2CID 15913817 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эспиноза, HD, BC Пророк и Б. Пэн (2004). «Размерные эффекты пластичности в отдельно стоящих субмикронных поликристаллических пленках FCC, подвергнутых чистому растяжению». Журнал механики и физики твердого тела . 52 (3): 667–689. Бибкод : 2004JMPSo..52..667E . дои : 10.1016/j.jmps.2003.07.001 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Саиф, MTA и Макдональд, Северная Каролина (1996). «Микрозагрузочное устройство миллиньютон» . Датчики и исполнительные механизмы А . 52 (1–3): 65–75. дои : 10.1016/0924-4247(96)80127-0 .
- ^ Хак, Массачусетс и MTA Саиф (2002). «Испытание наноразмерных образцов на растяжение на месте с помощью SEM и TEM». Экспериментальная механика . 42 (1): 123–128. дои : 10.1007/BF02411059 . S2CID 136678366 .
- ^ Хан, Дж. Х. и MTA Саиф (2006). «Стадия микрорастяжения in situ для электромеханического определения наноразмерных отдельно стоящих пленок». Обзор научных инструментов . 77 (4): 045102–8. Бибкод : 2006RScI...77d5102H . дои : 10.1063/1.2188368 .
- ^ Jump up to: а б Чжу Ю. и Эспиноза HD (2005). «Электромеханическая система испытания материалов для электронной микроскопии in situ и ее приложений» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (41): 14503–14508. Бибкод : 2005PNAS..10214503Z . дои : 10.1073/pnas.0506544102 . ПМЦ 1253576 . ПМИД 16195381 .
- ^ Jump up to: а б Пэн Б., Ю.Г. Сунь, Ю. Чжу, Х.-Х. Ван и HD Эспиноза (2008). «Наномасштабное тестирование одномерных наноструктур». У Ф. Янга; CJM Ли (ред.). Микро- и наномеханические испытания материалов и устройств . Спрингер. стр. 280–304. дои : 10.1007/978-0-387-78701-5_11 . ISBN 978-0387787008 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Пэн Б., М. Локасио, П. Заполь, С. Ли, С.Л. Мильке, Г.К. Шац и Х.Д. Эспиноза (2008). «Измерения почти предельной прочности многостенных углеродных нанотрубок и улучшение сшивки, вызванной облучением». Природные нанотехнологии . 3 (10): 626–631. дои : 10.1038/nnano.2008.211 . ПМИД 18839003 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Агравал Р., Б. Пэн, Э. Гдутос и Х. Д. Эспиноза (2008). «Размерные эффекты упругости в нанопроволоках ZnO - комбинированный экспериментально-вычислительный подход». Нано-буквы . 8 (11): 3668–3674. Бибкод : 2008NanoL...8.3668A . дои : 10.1021/nl801724b . ПМИД 18839998 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бернал, Р.А., Р. Агравал, Б. Пэн, К.А. Бертнесс, Н.А. Сэнфорд, А.В. Давыдов и Х.Д. Эспиноза (2010). «Влияние ориентации роста и диаметра на эластичность нанопроволок GaN. Комбинированное исследование TEM и атомистического моделирования in situ». Нано-буквы . 11 (2): 548–55. Бибкод : 2011NanoL..11..548B . дои : 10.1021/nl103450e . ПМИД 21171602 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Сиддхарт, SH (2009). «Демонстрация на месте встроенного тестера на растяжение ». Журнал микромеханики и микроинженерии . 19 (8): 082001. doi : 10.1088/0960-1317/19/8/082001 . S2CID 107353691 .
- ^ Чжан, Дунфэн; Бреге, Жан-Марк; Клавель, Реймонд; Филипп, Летиция; Утке, Иво; Михлер, Иоганн (2009). «Испытание на растяжение отдельных нанопроволок Co внутри сканирующего электронного микроскопа». Нанотехнологии . 20 (36): 365706. Бибкод : 2009Nanot..20J5706Z . дои : 10.1088/0957-4484/20/36/365706 . ПМИД 19687546 . S2CID 12696787 .
- ^ Браун, Дж. Дж., А. И. Бака, К. А. Бертнесс, Д. А. Дикин, Р. С. Руофф и В. М. Брайт (2011). «Измерение растяжения монокристаллических нанопроволок нитрида галлия на этапах испытаний МЭМС». Датчики и исполнительные механизмы А . 166 (2): 177–186. дои : 10.1016/j.sna.2010.04.002 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Платформы Discovery . cint.lanl.gov (2009)
- ^ Хак, Массачусетс, Х.Д. Эспиноза и Х.Дж. Ли (2010). «МЭМС для испытаний на месте - обращение, приведение в действие, загрузка, измерение смещения». Вестник МРС . 35 : 375. дои : 10.1557/mrs2010.570 . S2CID 12455370 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эппелл, С.Дж., Смит, Б.Н., Кан, Х., Балларини, Р. (2006). «Наноизмерения с помощью микроустройств: механические свойства гидратированных коллагеновых фибрилл» . Журнал интерфейса Королевского общества . 3 (6): 117–121. дои : 10.1098/rsif.2005.0100 . ПМК 1618494 . ПМИД 16849223 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Шен З.Л., Кан Х., Балларини Р., Эппелл С.Дж.; Кан; Балларини; Эппелл (2011). «Вязкоэластические свойства изолированных коллагеновых фибрилл» . Биофизический журнал . 100 (12): 3008–3015. Бибкод : 2011BpJ...100.3008S . дои : 10.1016/j.bpj.2011.04.052 . ПМК 3123930 . ПМИД 21689535 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ямахата, К., Д. Коллард, Б. Легран, Т. Такекава, М. Кумемура, Г. Хасигути и Х. Фудзита (2008). «Кремниевые нанопинцеты с субнанометровым разрешением для микроманипуляций биомолекул». Журнал микроэлектромеханических систем . 17 (3): 623–631. дои : 10.1109/JMEMS.2008.922080 . S2CID 44220818 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )