Определение механических свойств материалов на основе моделей взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образцов

Определение механических свойств материалов на основе моделей взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образцов

Автор: Морозов Илья Александрович, Ужегова Надежда Ивановна

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 4 т.7, 2014 года.

Бесплатный доступ

Атомный силовой микроскоп (АСМ) широко применяется для получения информации о рельефе исследуемого материала и его механических свойствах на наноуровне, которые могут существенно отличаться от макроскопических характеристик. Принцип работы микроскопа заключается в сканировании поверхности образца с помощью специального зонда, расположенного на конце упругой консольной балки - кантилевера. Сканирование выполняется посредством подвода и отвода зонда в различных точках к изучаемой поверхности. При этом строится силовая кривая, которая показывает отклонения подвижного конца кантилевера АСМ в зависимости от перемещения его жестко закрепленного основания в вертикальном направлении. Исходя из этой зависимости находятся механические свойства материала. Используются различные аналитические и численные модели, позволяющие оценить силы, влияющие на движение зонда АСМ, и правильно расшифровать снимаемые экспериментальные данные. В работе представлен обзор ключевых моделей взаимодействия зонда АСМ с поверхностью, предназначенных для определения локальных механических свойств материала (модуля упругости, поверхностной энергии, диссипативных характеристик). Рассматриваются два вида представления действующего на образец зонда: зонд микроскопа имеет вид массы на пружине; зонд изображается балкой с распределенной массой (континуальное представление). Обсуждаются следующие вопросы: контактное статическое (на основе моделей Герца, Дерягина-Мюллера-Топорова, Джонсона-Кендалла-Робертса) и динамическое взаимодействия зонда с поверхностью; использование численных методов (метода конечных элементов, методов молекулярной динамики). Рассмотрены особенности моделей и границы их применимости.

Еще

Атомно-силовая микроскопия, модель герца, модель дерягина-мюллера-топорова, модель джонсона-кендалла-робертса, численные методы

Короткий адрес: https://sciup.org/14320738

IDR: 14320738   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.4.37

Список литературы Определение механических свойств материалов на основе моделей взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образцов

  • Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic Force Microscope//Phys. Rew. Lett. -1986. -Vol. 56, no. 9. -P. 930-933.
  • http://www.nasa.gov/mission_pages/phoenix/images/press/AFM.html (дата обращения: 07.08.2014)
  • Baselt D.R., Baldeschwieler J.D. Imaging spectroscopy with the atomic force microscope//J. Appl. Phys. -1994. -Vol. 76, no. 1. -P. 33-38.
  • Meyer E.E., Rosenberg K.J., Israelachvili J. Recent progress in understanding hydrophobic interactions//PNAS. -2006. -Vol. 103, no. 43. -P. 15739-15746.
  • Rekhviashvili S.Sh., Rozenberg B.A., Dremov V.V. Influence of the size-dependent surface tension of a liquid film on a capillary force in an atomic force microscope//JETP Lett. -2008. -Vol. 88, no. 11. -P. 772-776.
  • Müller M., Schimmel T., Häußler P., Fettig H., Müller O., Albers A. Finite element analysis of V-shaped cantilevers for atomic force microscopy under normal and lateral force loads//Surf. Interface Anal. -2006. -Vol. 38, no. 6. -P. 1090-1095.
  • Rasekh M., Khadem S.E. Pull-in analysis of an electrostatically actuated nano-cantilever beam with nonlinearity in curvature and inertia//Int. J. Mech. Sci. -2011. -Vol. 53, no. 2. -P. 108-115.
  • Song Y., Bhushan B. Simulation of dynamic modes of atomic force microscopy using a 3D finite element model//Ultramicroscopy. -2006. -Vol. 106, no. 8-9. -P. 847-873.
  • Butt H.-J., Jaschke M. Calculation of thermal noise in atomic force microscopy//Nanotechnology. -1995. -Vol. 6, no. 1. -P. 1-7.
  • Lee S.I., Howell S.W., Raman A., Reifenberger R. Nonlinear dynamics of microcantilevers in tapping mode atomic force microscopy: A comparison between theory and experiment//Phys. Rev. B. -2002. -Vol. 66. -115409.
  • Rabe U., Turner J., Arnold W. Analysis of the high-frequency response of atomic force microscope cantilevers//Appl. Phys. A. -1998. -Vol. 66, no. 1. -P. S277-S282.
  • Stark R.W., Schitter G., Stark M., Guckenberger R., Stemmer A. State-space model of freely vibrating and surface-coupled cantilever dynamics in atomic force microscopy//Phys. Rev. B. -2004. -Vol. 69. -085412.
  • Johnson K.L. Contact mechanics. -Cambridge: Cambridge University Press, 1985. -452 p.
  • Tsukruk V.V., Huang Z., Chizhik S.A., Gorbunov V.V. Probing of micromechanical properties of compliant polymeric materials//J. Mater. Sci. -1998. -Vol. 33, no. 20. -P. 4905-4909.
  • Sneddon I.N. The relation between load and penetration in the axisymmetric Boussinesq problem for a punch of arbitrary profile//Int. J. Eng. Sci. -1965. -Vol. 3, no. 1. -P. 47-57.
  • Bradley R.S. The cohesive force between solid surfaces and the surface energy of solids//Philos. Mag. -1932. -Vol. 13, no. 86. -P. 853-862.
  • Derjaguin B. Untersuchungen über die Reibung und Adhäsion, IV//Kolloid Z. -1934. -Vol. 69, no. 2. -P. 155-164.
  • Roberts A.D./PhD Dissertation. -Cambridge University, England, 1968.
  • Kendall K. The stiffness of surfaces in statistic and sliding contact/PhD Dissertation. -Cambridge University, England, 1969.
  • Drutowski R.C. Hertzian contact and adhesion of elastomers//J. Tribol. -1969. -Vol. 91, no. 4. -P. 732-737.
  • Johnson K.L. A note on the adhesion of elastic solids//Brit. J. Appl. Phys. -1958. -Vol. 9, no. 5. -P. 199-200.
  • Derjaguin B.V., Muller V.M., Toporov Yu.P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles//J. Colloid Interf. Sci. -1975. -Vol. 53, no. 2. -P. 314-326.
  • Burnham N.A., Kulik A.J. Surface forces and adhesion//Handbook of Micro/Nanotribology. -1997. -P. 1-31
  • Medendorp C.A. Atomic force microscopy method development for surface energy analysis/Doctoral dissertation. -University of Kentucky, USA, 2011. -185 p.
  • Johnson K.L., Kendall K., Roberts A.D. Surface energy and contact of elastic solids//P. R. Soc. London. -1971. -Vol. 324, no. 1558. -P. 301-313.
  • Sun Yu., Akhremitchev B., Walker G.C. Using the adhesive interaction between Atomic force microscopy tips and polymer surfaces to measure the elastic modulus of compliant samples//Langmuir. -2004. -Vol. 20, no. 14. -P. 5837-5845.
  • Tabor D. Surface forces and surface interactions//J. Colloid Interf. Sci. -1977. -Vol. 58, no.1. -P. 2-13.
  • Yu N., Polycarpou A.A. Adhesive contact based on the Lennard-Jones potential: a correction to the value of the equilibrium distance as used in the potential//J. Colloid Interf. Sci. -2004. -Vol. 278, no. 2. -P. 428-435.
  • Sergici A.O., Adams G.G., Müftü S. Adhesion in the contact of a spherical indenter with a layered elastic half-space//J. Mech. Phys. Solids. -2006. -Vol. 54, no. 9. -P. 1843-1861.
  • Nishi T., Nagai S., Fujinami S., Nakajima K. Recent progress of nano-mechanical mapping//Chinese J. Polym. Sci. -2009. -Vol. 27, no. 1. -P. 37-47.
  • Maugis D. Adhesion of spheres: The JKR-DMT transition using a Dugdale model//J. Colloid Interf. Sci. -1992. -Vol. 150, no. 1. -P. 243-269.
  • Dugdale D.S. Yielding of steel sheets containing slits//J. Mech. Phys. Solids. -1960. -Vol. 8, no. 2. -P. 100-104.
  • Lantz M.A., O'Shea S.J., Welland M.E., Johnson K.L. Atomic-force-microscope study of contact area and friction on NbSe2//Phys. rev. B. -1997. -Vol. 55, no. 16. -P. 10776-10785.
  • Carpick R.W., Ogletree D.F., Salmeron M. A general equation for fitting contact area and friction vs load measurements//J. Colloid Interf. Sci. -1999. -Vol. 211, no. 2. -P. 395-400.
  • Magonov S.N., Elings V., Whangbo M.-H. Phase imaging and stiffness in tapping-mode atomic force microscopy//Surf. Sci. -1997. -Vol. 375, no. 2-3. -P. L385-L391.
  • Cleveland J.P., Anczykowski B., Schmid A.E., Elings V.B. Energy dissipation in tapping-mode atomic force microscopy//Appl. Phys. Lett. -1998. -Vol. 72, no. 20. -P. 2613-2615.
  • Wang D., Liang X.-B., Liu Y.-H., Fujinami S., Nishi T., Nakajima K. Characterization of surface viscoelasticity and energy dissipation in a polymer film by atomic force microscopy//Macromolecules. -2011. -Vol. 44, no. 21. -P. 8693-8697.
  • Santos S., Gadelrab K.R., Silvernail A., Armstrong P., Stefancich M., Chiesa M. Energy dissipation distributions and dissipative atomic processes in amplitude modulation atomic force microscopy//Nanotechnology. -2012. -Vol. 23, no. 12. -P. 125401-125413.
  • Igarashi T., Fujinami S., Nishi T., Asao N., Nakajima K. Nanorheological mapping of rubbers by atomic force microscopy//Macromolecules. -2013. -Vol. 46, no. 5. -P. 1916-1922.
  • Rodŕigues T.R., Garćia R. Tip motion in amplitude modulation “tapping-mode” atomic-force microscopy: Comparison between continuous and point-mass models//Appl. Phys. Lett. -2002. -Vol. 80, no. 9. -P. 1646-1648.
  • Бидерман В.Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов. -М: Высшая школа, 1980. -408 c.
  • Rabe U., Janser K., Arnold W. Vibrations of free and surface-coupled atomic force microscope cantilevers: Theory and experiment//Rev. Sci. Instrum. -1996. -Vol. 67, no. 9. -P. 3281-3293.
  • Stark R.W., Heckl W.M. Fourier transformed atomic force microscopy: tapping mode atomic force microscopy beyond the Hookian approximation//Surf. Sci. -2000. -Vol. 457, no. 1-2. -P. 219-228.
  • Song Y., Bhushan B. Atomic force microscopy dynamic modes: modeling and applications//J. Phys.: Condens. Matter. -2008. -Vol. 20, no. 22. -P. 225012-29.
  • Turner J.A., Hirsekorn S., Rabe U., Arnold W. High-frequency response of atomic-force microscope cantilevers//J. Appl. Phys. -1997. -Vol. 82, no. 3. -P. 966-979.
  • Wright O.B., Nishiguchi N. Vibration dynamics of force microscopy: Effect of tip dimensions//Appl. Phys. Lett. -1997. -Vol. 71. -P. 626-628.
  • Dupas E., Gremaud G., Kulik A., Loubet J.-L. High-frequency mechanical spectroscopy with an atomic force microscope//Rev. Sci. Instrum. -2001. -Vol. 72, no. 10. -3891-3897.
  • Turner J.A. Non-linear vibrations of a beam with cantilever-Hertzian contact boundary conditions//J. Sound Vib. -2004. -Vol. 275, no. 1-2. -P. 177-191.
  • Choi J.L., Gethin D.T. Simulation of atomic force microscopy operation via three-dimensional finite element modeling//Nanotechnology. -2009. -Vol. 20, no. 6. -P. 065702-14.
  • Arinero R., Lévêque G. Vibration of the cantilever in Force Modulation Microscopy analysis by a finite element model//Rev. Sci. Instrum. -2003. -Vol. 74, no. 1. -P. 104-111.
  • Гаришин О.К. Моделирование взаимодействия зонда атомно-силового микроскопа с полимерной поверхностью с учетом сил Ван-дер-Ваальса и поверхностного натяжения//Наносистемы: физика, химия, математика. -2012. -Том 3, № 2. -С. 47-54.
  • Гаришин О.К., Лебедев С.Н. Теоретическое моделирование работы атомно-силового микроскопа при исследовании поверхностей со сложной наноструктурой//Вестник ПНИПУ: Механика. -2013. -№ 1. -C. 68-80.
  • Морозов И.А., Гаришин О.К., Володин Ф.В., Кондюрин А.В., Лебедев С.Н. Экспериментальное и численное моделирование эластомерных композитов путем исследования нанослоев полиизопрена на углеродной поверхности//Механика композиционных материалов и конструкций. -2008. -Т. 14, № 1. -С. 3-15.
  • Qu М., Deng F., Kalkhoran S.M., Gouldstone A., Robisson A., Van Vliet K.J. Nanoscale visualization and multiscale mechanical implications of bound rubber interphases in rubber-carbon black nanocomposites//Soft Matter. -2011. -Vol. 7, no. 3. -P. 1066-1077.
  • Гаришин О.К. Моделирование контактного режима работы атомно-силового микроскопа с учетом немеханических сил взаимодействия с поверхностью образца//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 1. -С. 61-69.
  • Dong Y., Li Q., Martini A. Molecular dynamics simulation of atomic friction: A review and guide//J. Vac. Sci. Technol. A. -2013. -Vol. 31. -P. 030801.
  • Galan U., Sodano H.A. Molecular dynamics prediction of interfacial strength and validation through atomic force microscopy//Appl. Phys. Lett. -2012. -Vol. 101. -P. 151603.
  • Onofrio N., Venturini G.N., Strachan A. Molecular dynamic simulation of tip-polymer interaction in tapping-mode atomic force microscopy//J. Appl. Phys. -2013. -Vol. 114. -P. 094309.
  • Burnham N.A., Colton R.J. Measuring the nanomechanical properties and surface forces of materials using an atomic force microscope//J. Vac. Sci. Technol. A. -1989. -Vol. 7, no. 4. -P. 2906-2913.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp