Akustisk mikroskopi av atomkraft

AFAM

Atomic force akustisk mikroskopi ( AFAM ) är en typ av scanning probe microscopy (SPM). Det är en kombination av akustik och atomkraftsmikroskopi . Den huvudsakliga skillnaden mellan AFAM och andra former av SPM är tillägget av en givare i botten av provet som inducerar longitudinella vibrationer utanför planet i provet. Dessa vibrationer avkänns av en cantilever och spets som kallas en sond. Figuren som visas här är det tydliga schemat för AFAM-principen här B är den förstorade versionen av spetsen och provet placerat på givaren och spetsen med en optisk beläggning, vanligtvis guldbeläggning för att reflektera laserljuset på fotodioden .

Alla typer av material kan mätas med detta mikroskop . Speciellt i nanoskala såsom elasticitetsmodul , skjuvmodul och Poisson-förhållande mätas.

Den använda frekvensen sveper från några få kHz till MHz, vilket håller sinusvågsamplituden konstant. De longitudinella sinusvågorna avkänns av sonden, och sondens avböjning detekteras av laserljus fokuserat på en positionskänslig fotodiod (PSPD). Denna avböjning av den reflekterade laserstrålen från konsolen (sonden) indikerar provets böjnings- och vridningsparametrar. Den högfrekventa signalen skickas till en låst förstärkare och korreleras med referenssignalen som skickas av signalgeneratorn för att bilda AFAM-bilden.

Sedan utvecklingen av atomkraftsmikroskopi har många metoder och relaterade tekniker dykt upp. Ultraljudskraftmikroskopi , ultraljuds atomkraftsmikroskopi, skanningsakustisk kraftmikroskopi och AFAM faller alla under grenen av närfältsmikroskopitekniker som kallas kontaktresonanskraftsmikroskopi (CRFM). CRFM-tekniker beror huvudsakligen på beräkningen av kontaktresonansfrekvenser och hur de skiftar med variationer (som fällningar och matris) i provet.

Historia

Atomic force akustisk mikroskopi (AFAM) utvecklades ursprungligen av Rabe och Arnold från Fraunhofer Institute of Nodestructive Testing 1994. Tekniken används nu för kvalitativa och kvantitativa mätningar av de lokala elastiska egenskaperna hos material. AFAM användes av Anish Kumar et al. för att kartlägga fällningarna i de polykristallina materialen.

Atomic force akustiskt mikroskopisystem

Princip

I AFAM-uppställningen är provet kopplat till en piezoelektrisk givare. Detta avger longitudinella akustiska vågor in i provet, vilket orsakar vibrationer utanför planet i provets yta. Vibrationerna överförs till konsolen via sensorspetsen. Fribärande vibrationer mäts av en 4-sektions fotodiod och utvärderas av en låst förstärkare. Den här inställningen kan användas antingen för att inhämta fribärande vibrationsspektra eller för att ta akustiska bilder. De senare är kartor över fribärande amplituder på en fast excitationsfrekvens nära resonansen. En topografibild i kontaktläge inhämtas samtidigt med den akustiska.

Frekvensområdet som används täcker konsolens böjningslägen från 10 kHz upp till 5 MHz, med en genomsnittlig frekvens på cirka 3 MHz. Den kan användas för att kartlägga elasticitetsmodulvariationerna mellan fällningarna och matrisen av ett material, så att även de elastiska egenskaperna hos de tunna filmerna kan bestämmas. Den kan användas i luft, vakuum och flytande media.

Prober som används för AFAM består av kiselnitrid (Si 3 N 4 ) eller kisel (Si). Cantilevers med låga fjäderkonstanter (0,01-0,5 N/m) för mjuka material och höga fjäderkonstanter (42-50 N/m) för hårda material används. Inom sondstrukturen kanske konsolen och spetsmaterialet inte är samma. Spetsar tillverkas vanligtvis med anisotropisk etsning eller ångavsättning. Sonden placeras i en vinkel runt 11-15 grader från den horisontella axeln.

Två modeller används för beräkningarna i AFAM: fribärande dynamikmodell och kontaktmekanikmodell . Med dessa två modeller kan materialens elastiska egenskaper bestämmas. Alla beräkningar görs med programvaran LabView . Frekvensen för fribärarens egenmoder beror bland andra parametrar på styvheten hos spets-provkontakten och på kontaktradien, som i sin tur är både en funktion av Youngs modul för provet och spetsen , spetsen radie, belastningen som utövas av spetsen och ytans geometri. En sådan teknik gör det möjligt att bestämma Youngs modul från kontaktstyvheten med en upplösning på några tiotals nanometer, lägeskänsligheten är cirka 5%.

Modeller

För beräkning av materialens elastiska egenskaper måste vi överväga två modeller: cantilever dynamisk modell - beräkning av k* (kontaktstyvhet); och Hertz kontaktmodell - kontaktmekanik - beräkning av den reducerade elasticitetsmodulen (E*) för provet med hänsyn till kontaktarean.

Procedur för att beräkna de elastiska egenskaperna hos olika material

Användning av de två ovan nämnda modellerna kommer att ta oss till korrekt bestämning av de olika elastiska egenskaperna för olika material. De steg som måste beaktas för beräkningen är:

  • Skaffa kontaktresonanserna för två valfria böjningslägen.
  • De två lägena kan förvärvas separat eller samtidigt. Vikten av samtidiga förvärv har visats av Phani et al.
  • Genom att mäta kontaktresonansfrekvenserna för två moder kan man skriva två ekvationer som innehåller två okända värden L1 och k*. Genom att plotta k* som en funktion av spetspositionen (L1/L) för de två lägena, erhåller man två kurvor, vars korspunkt ger ett unikt värde på k* för systemet som använder båda lägena.
  • Med hjälp av Hertz-kontaktmodellen kan k* konverteras till E*. Eftersom exakt mätning av R av spetsen är mycket svårt; mätning på ett referensprov utförs för att eliminera kravet på att känna till värdet på R. Referensprovet kan vara ett amorft material eller en enkristall.

Fördelar jämfört med andra SPM-processer

  • Frekvensförskjutningar är lättare att mäta exakt än absoluta amplituder eller fas.
  • Kan användas i luft såväl som flytande miljö som (i en droppe).
  • Kan testa alla typer av material.
  • Upplösning på atomnivå.
  • Felkarakterisering och upptäckt av dolda strukturer kan göras.
  • Kvantitativ karakterisering av nanomateriallager.
  • Kvantitativa och kvalitativa mätningar på nanoskala.
  • Dämpningsmätningar på nanonivå som kan ge en verklig uppfattning om sprickinitiering och spridning vilket är mycket viktigt när det gäller konstruktionsmaterial.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Atomic_force_acoustic_microscopy&oldid=921182553 "