Атомная акустическая микроскопия

Атомальная акустическая микроскопия ( AFAM ) является типом сканирующей зондовой микроскопии (SPM). Это комбинация акустики и атомной силы микроскопии. Основное различие между AFAM и другими формами SPM является добавление преобразователя в нижней части образца, который вызывает продольные вибрации вне плоскости в образце. Эти вибрации чувствую кантилевер и наконечник, называемый зондом. Рисунок, показанная здесь, является четкой схемой принципа AFAM здесь B является увеличенной версией наконечника и образца, размещенной на преобразователе и наконечниках, имеющем некоторое оптическое покрытие, как правило, золотое покрытие, чтобы отражать лазерный свет на фотодиод .

Любой тип материала может быть измерен с помощью этого микроскопа . В частности, наномасштабные свойства, такие как модуль упругости , модуль сдвига и соотношение Пуассона .

Используемая частота отключается от нескольких кГц до МГц, сохраняя постоянную амплитуду синусоидальной волны. Синусоидальные продольные волны определяются зондом, а отклонение зонда обнаруживается лазерным светом, сфокусированным на чувствительном к положению фотодиода (PSPD). Это отклонение отраженного лазерного луча из кантилевера (зонд) указывает на изгиб и кручение параметров образца. Высокочастотный сигнал отправляется в усилитель блокировки и коррелирует с опорным сигналом, отправленным генератором сигнала для формирования изображения AFAM.

С момента развития атомной силовой микроскопии появились многие режимы и связанные с ними методы. Ультразвуковая силовая микроскопия , ультразвуковая атомная микроскопия, сканирующая акустическая силовая микроскопия и AFAM находятся под ветвью методов микроскопии ближнего поля, называемой контактной резонансной микроскопией (CRFM). Методы CRFM зависят главным образом от расчета частот контактного резонанса и того, как они сдвигаются с вариациями (например, осадки и матрица) в выборке.

История

Атомальная акустическая микроскопия (AFAM) была первоначально разработана Рабе и Арнольдом ^{[ 1 ]} из Института неразрушающего тестирования Фраунхофера в 1994 году. В настоящее время методика используется для качественных и количественных измерений локальных упругих свойств материалов. AFAM использовался Anish Kumar et al. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Чтобы отобразить осадки в поликристаллических материалах.

Принцип

В настройке AFAM образец связан с пьезоэлектрическим преобразователем. Это издает продольные акустические волны в образце, вызывая неплохие вибрации на поверхности образца. Вибрации передаются в кантилевер через наконечник датчика. Вибрации кантилевера измеряются с помощью фотодиода с 4 сечения и оцениваются усилителем блокировки. Эта настройка может быть использована либо для получения спектров вибрации кантилевера, либо для получения акустических изображений. Последние представляют собой карты консольных амплитуд на фиксированной частоте возбуждения вблизи резонанса. Топографическое изображение контакта получается одновременно с акустическим.

Используемый частотный диапазон охватывает гибкие режимы кантилевера от 10 кГц до 5 МГц со средней частотой около 3 МГц. Его можно использовать для отображения изменений упругого модуля между осадками и матрицей материала, так что можно определить даже упругие свойства тонких пленок. Его можно использовать в воздухе, вакуумной и жидкой среде.

Зонды, используемые для AFAM, состоят из нитрида кремния (Si ₃ N ₄ ) или кремния (Si). Кантилеверы с низкими констант пружины (0,01-0,5 Н/м) для мягких материалов и константы высокой пружины (42-50 Н/м) для твердых материалов. В рамках структуры зонда кантилевер и наконечник не могут быть одинаковыми. Советы обычно изготавливаются с использованием анизотропного травления или отложения паров. Зонд расположен под углом около 11-15 градусов от горизонтальной оси.

Две модели используются для расчетов в AFAM: модель динамики кантилевера и модель контактной механики . Используя эти две модели, можно определить упругие свойства материалов. Все вычисления выполняются с использованием программного обеспечения LabView . Частота собственных мод консольного консоля зависит, среди других параметров, от жесткости контакта с образцом и от радиуса контакта, что, в свою очередь, является функцией модуля молодых образцов и наконечника, наконечник Радиус, нагрузка, проявляющаяся на кончике, и геометрия поверхности. Такая техника позволяет определить модуль Янга из жесткости контакта с разрешением нескольких десятков нанометров, чувствительность к моде составляет около 5%.

Модели

Для расчета упругих свойств материалов нам необходимо рассмотреть две модели: ^{[ 4 ]} Консольная динамическая модель - расчет K* (контактная жесткость); и Герца контактная модель - Механика контакта - расчет уменьшенного модуля упругости (e*) образца с учетом области контакта.

Процедура расчета упругих свойств различных материалов

Использование двух моделей, упомянутых выше, потребует нас для определения различных упругих свойств для различных материалов. Шаги, которые необходимо учитывать для расчета:

Приобретите контактные резонансы для любых двух режимов изгиба.
Два режима могут быть получены отдельно или одновременно. Важность одновременного сбора была продемонстрирована Phani et al. ^{[ 5 ]}
Измеряя частоты контактного резонанса двух режимов, 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, поперечная точка, из которой дает уникальное значение k* системы с использованием обоих режимов.
Используя контактную модель Hertz, K* может быть преобразован в E*. Как точное измерение r кончика очень сложно; Измерение на эталонном образце проводится для устранения потребности в знании значения R. Священный образец может быть аморфным материалом или монокристаллом.

Преимущества по сравнению с другими процессами SPM

Частотные сдвиги легче измерить точную, чем абсолютные амплитуды или фаза.
Может использоваться как в воздухе, так и в жидкой среде, как (в капельке).
Может проверить любой тип материала.
Разрешение атомного уровня.
Недостатка характеристика и обнаружение скрытых структур могут быть сделаны.
Количественная характеристика слоев нано -материала.
Количественные и качественные измерения в нано -шкале.
Измерения демпфирования на уровне нано, которые могут дать фактическое представление о инициации и распространении трещин, которые очень важны в случае структурных материалов.

Смотрите также

Ссылки

^ Рабе, U.; Арнольд, В. (21 марта 1994 г.). «Акустическая микроскопия с помощью атомной силовой микроскопии». Прикладные физические буквы . 64 (12). AIP Publishing: 1493–1495. doi : 10.1063/1.111869 . ISSN 0003-6951 .
^ AE ASIMOV и SA SAUNIN « Атомная сила акустическая микроскопия как инструмент для анализа эластирования полимера » . С.79. ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}
^ Кумар, Аниш; Рабе, Уте; Арнольд, Уолтер (18 июля 2008 г.). «Картирование упругих жесткости в сплаве α+β -титанового сплава с использованием атомной акустической микроскопии атомной силы». Японский журнал прикладной физики . 47 (7). Японское общество прикладной физики: 6077–6080. doi : 10.1143/jjap.47.6077 . ISSN 0021-4922 .
^ " Акустическая микроскопия атомной силы" , Ute Rabe
^ Kalyan Phani, M.; Кумар, Аниш; Джаякумар, Т. (20 мая 2014 г.). «Картографирование эластичности дельты осаждается в сплаве 625 с использованием акустической микроскопии атомной силы с новым подходом для устранения влияния условия наконечника». Философские журналы . 94 (7). Informa UK Limited: 395–403. doi : 10.1080/09500839.2014.920538 . ISSN 0950-0839 .

Внешние ссылки

АФАМ детали
Татами, Джуничи; Обучи, Томоко; Комея, Кацутоши; Мегуро, Такеши (2005). «Нанофрактография глинозема с помощью сканирующей микроскопии зонда». Ключевые инженерные материалы . 290 . Транс -технологические публикации: 70–77. doi : 10.4028/www.scientific.net/kem.290.70 . ISSN 1662-9795 .
Контактная резонансная визуализация ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}
Джонсон, К.Л. (1987). Контактная механика . Кембридж Кембриджшир Нью -Йорк: издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-34796-9 Полем OCLC 17282784 .

[1] Рабе, U.; Арнольд, В. (21 марта 1994 г.). «Акустическая микроскопия с помощью атомной силовой микроскопии». Прикладные физические буквы . 64 (12). AIP Publishing: 1493–1495. doi : 10.1063/1.111869 . ISSN 0003-6951 .

[2] AE ASIMOV и SA SAUNIN « Атомная сила акустическая микроскопия как инструмент для анализа эластирования полимера » . С.79. ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}

[3] Кумар, Аниш; Рабе, Уте; Арнольд, Уолтер (18 июля 2008 г.). «Картирование упругих жесткости в сплаве α+β -титанового сплава с использованием атомной акустической микроскопии атомной силы». Японский журнал прикладной физики . 47 (7). Японское общество прикладной физики: 6077–6080. doi : 10.1143/jjap.47.6077 . ISSN 0021-4922 .

[4] " Акустическая микроскопия атомной силы" , Ute Rabe

[5] Kalyan Phani, M.; Кумар, Аниш; Джаякумар, Т. (20 мая 2014 г.). «Картографирование эластичности дельты осаждается в сплаве 625 с использованием акустической микроскопии атомной силы с новым подходом для устранения влияния условия наконечника». Философские журналы . 94 (7). Informa UK Limited: 395–403. doi : 10.1080/09500839.2014.920538 . ISSN 0950-0839 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]