WWW.LIB.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные матриалы
 

«ИССЛЕДОВАНИЯ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ УДК 539.311:539.87 О.К. Гаришин, Институт механики сплошных сред УрО РАН Описаны основные ...»

ИССЛЕДОВАНИЯ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

УДК 539.311:539.87

О.К. Гаришин,

Институт механики сплошных

сред УрО РАН

Описаны основные принципы работы атомно-силового микроскопа (АСМ) –

одного из наиболее перспективных инструментов изучения наноструктурированных материалов. Представлены экспериментальные результаты исследования структуры и локальных механических свойств полимерных материалов и

нанокомпозитов на их основе. Приведены результаты теоретического моделирования контактного режима работы АСМ, необходимые для адекватной обработки и расшифровки экспериментальных данных. Определены условия применимости стандартных методик, используемых при расшифровке АСМ-сканирования для случая полимерных материалов.

Ключевые слова: атомно-силовой микроскоп, наноиндентация, полимер, нанокомпозит.

КАК РАБОТАЕТ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОП

Развитие современных нанотехноло- новыми потребительскими качествами, гий в области материаловедения требует недостижимыми в рамках использования все более глубоких знаний о внутреннем традиционных технологий.

строении материалов и их физических Одним из наиболее перспективных свойствах на микро-, мезо- и наноуровне. инструментов решения этой проблемы Научившись эффективно управлять про- является атомно-силовая микроскопия исходящими в этих масштабах процесса- (АСМ) [1]. Изобретенный еще в 1986 г.

ми и явлениями, можно целенаправленно Гердом Бинингом, Келвином Куэйтом и создавать материалы с принципиально Кристофером Гербером [2] сканирующий * Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства промышленности, инноваций и науки Пермского края (гранты 11-08-96001–р_урал_а, 13-08-00065).



ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2/2014 атомно-силовой микроскоп (Нобелевская объектом. В современных микроскопах премия по физике за 1986 г.) в настоящее для этого используются оптические метовремя широко используется в самых раз- ды (рис. 1). Оптическая система АСМ юсных областях современной науки – физи- тируется таким образом, чтобы излучение ке, химии, биологии и др. АСМ успешно полупроводникового лазера фокусироваприменяется и в материаловедении при лась на консоли зондового датчика, а отисследовании морфологии и локальных раженный луч попадал на регистрируюфизико-механических свойств материала щий фотодиод. Достаточно полное попуна наноструктурном уровне (т.е. в мас- лярное описание принципов работы АСМ штабах, когда уже надо учитывать эффек- можно найти, например, в [10, 11].

ты, связанные с особенностями молекулярного строения вещества, хотя сам материал еще можно считать сплошной средой). Сегодня уже хорошо известно, что физические свойства наночастиц и кластеров, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью, могут очень существенно отличаться от макроскопических характеристик. Например, если объем кристалла золота уменьшается до 5 нм, то температура плавления снижается на несколько сотен градусов [3].

С помощью АСМ ученые могут сего- Рис. 1. Принципиальная схема работы атомно-силового микроскопа. 1 – лазер, дня определять наноструктурные локальприемный фотодиод, 3 – кантилевер, ные упругие модули [4, 5], параметры уп- 4 – щуп, 5 – основание рочнения [6], ползучести [7], остаточные В зависимости от характера действия напряжения [8]. Данные технологии посилы между кантилевером и поверхнозволяют непосредственно наблюдать и количественно оценивать такие нанопро- стью образца выделяют три режима рабоцессы, как появление дислокаций, воз- ты атомно-силового микроскопа: контактникновение сдвиговой нестабильности, ный, бесконтактный, полуконтактный.

В бесконтактном режиме пьезовибрафазовые переходы и многие другие явления, недоступные для ранее известных тором возбуждаются колебания зонда на некоторой частоте (чаще всего резонанстехнологий [9].

В основе работы АСМ лежит силовое ной). Сила, действующая со стороны повзаимодействие между исследуемой по- верхности (чаще всего Ван-дер-Ваальса), верхностью и консольной балкой (канти- приводит к сдвигу амплитудно-частотной левером) с острым кремниевым щупом на и фазово-частотной характеристик зонда.

свободном конце. Как правило, этот щуп По этому сдвигу можно судить о рельефе (зонд) имеет форму конуса со скругленной поверхности. Основное достоинство – вершиной. Длина балки составляет около зонд не «травмирует» образец; недостамкм, высота конуса 1–3 мкм. Ра- ток – нельзя получить информацию о медиус вершины зонда (который и определя- ханических свойствах поверхности.

В полуконтактном режиме также возет разрешающую способность прибора) у современных кантилеверов варьируется от буждаются колебания кантилевера. В ниждо 50 нанометров. Сила, действующая нем полупериоде колебаний кантилевер на зонд со стороны поверхности, приво- касается поверхности образца. Такой медит к изгибу консоли. Регистрируя вели- тод является промежуточным между полчину изгиба, можно контролировать силу ным контактом и полным бесконтактом.

В контактном режиме (его еще называвзаимодействия щупа с исследуемым

ИССЛЕДОВАНИЯ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ

ют наноиндентацией) вершина зонда на- представляют наибольший интерес, так ходится в непосредственном соприкосно- как они позволяют получать данные не вении с поверхностью и монотонно вдав- только о рельефе поверхности, но и об ее ливается в образец. Последние два режима локальных механических свойствах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ

И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ С ПОМОЩЬЮ АСМ

В 2008 г. в ИМСС УрО РАН был уста- стомеров, которые легко поддаются обрановлен и введен в действие атомно-сило- ботке стандартным режущим инструменвой микроскоп Pacific Nano-DRT, после том, поверхность полиэтиленового образчего в лаборатории «Микромеханики ца значительно труднее подготовить для структурно-неоднородных сред» (зав. АСМ-сканирования. Кроме того, хорошо лаб. А.Л. Свистков) начались системати- выраженная пластичность, присущая терческие исследования наноструктуры и мопластам, способствует появлению осмеханических свойств различных поли- таточных деформаций на разрезаемой померных материалов (эластомеров, резин, верхности образца (и изменению механинаполненных термопластов и т.п.), а так- ческих свойств поверхности по сравнеже и композитов на их основе. нию с внутренними областями). ИзвестТак, при финансовой поддержке ная технология выделения кристаллитов РФФИ и Министерства промышленности, за счет облучения образца мощным потоинноваций и науки Пермского края были ком ультрафиолетового излучения («выпроведены экспериментальные исследова- жигание» аморфной фазы) была недосния структуры полимеров полиолефино- тупна нам ввиду отсутствия соответствой группы (термопластов) и композитов с вующего оборудования. Поэтому была силикатным нанонаполнителем на их ос- разработана специальная методика подгонове. Основным объектом для изучения товки полимерной поверхности, основанбыл выбран полиэтилен ПЭ 107-02К, на- ная на предварительной термической обполненный ультратонкими слоистыми си- работке полимера. Образец в виде таблетликатными частицами модифицированной ки диаметром 5 мм и высотой 2–3 мм поглины марки Cloisite 20A. По химическо- мещался в печь, нагревался до температуму составу это Na+-монтмориллонит, мо- ры, близкой температуре плавления (120– дифицированный поверхностно-активны- 140 С), и выдерживался определенное ми веществами (ПАВ). Степень наполне- время (30 минут). Далее температура пония исследуемых нанокомпозитов варьи- нижалась до 90–95 С, и материал выдерровалась от 0 до 15 мас%. ПЭ 107-02К – живался еще два часа. В результате такой это широко распространенный промыш- термической обработки в полиэтилене ленный полиэтилен низкой плотности происходило сначала расплавление криг/см3). Степень кристалличности со- сталлитов, а затем их восстановление ставляет примерно 50 %, то есть в нем су- (рекристаллизация) – «отжиг» материала.

ществуют хорошо выраженные надмоле- Убирались возможные при изготовлении кулярные образования – кристаллиты. образца повреждения на его поверхности, Проведенные механические макроиспыта- а кристаллитные образования становиния показали, что начальный модуль упру- лись более «рельефными».

гости в зависимости от концентрации час- Эксперименты проводили на атомнотиц изменялся от 70 МПа (чистый поли- силовых микроскопах Nano-DST и Bruker мер) до 180 МПа (наполнение 15 мас%).





Icon. АСМ-сканирование проводилось в При исследовании наноструктуры та- полуконтактном режиме наномеханичеких материалов возникает одна серьезная ского картирования (PeakForce QNM). В проблема. В отличие от более мягких эла- этом случае зонд движется с гармоничеВЕСТНИК ПЕРМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2/2014 ской частотой 2 Гц в нормальной к образ- ти со стороной 1,5, 5 и 15 мкм. Большие цу плоскости, «постукивая» о поверх- 15-микронные сканы использовались для ность. Информация о локальных физиче- получения общего представления о струкских свойствах определяется из анализа туре материала – кристаллитные образоваамплитуды отскока и сдвига по фазе. Од- ния и включения на них видны плохо. На новременно с рельефом строились карты малых сканах эти структуры выявляются таких механических характеристик по- намного лучше, особенно на 1,5-микронверхности образца, как адгезия F adh и же- ных. В результате была проведена оценка сткость E s. Измеряемый локальный мо- размеров и формы, как кристаллитов, так дуль по модели Дерягина–Мюллера–То- и силикатных включений, а также проверопова [12, 13] (в основе которой лежит дена оценка их механических свойств [14].

решение Герца плюс учет адгезии между На рис. 2, 3, 4 показаны АСМ-сканы зондом и поверхностью образца): рельефа, жесткости и адгезии для ПЭ 107-02К с 15 мас% содержанием нанонаEs 3/ 4(1 s 2 )( F Fadh ) /( Ru 3 )0,5, полнителя. Все три картинки построены для одного и того же участка поверхноздесь F adh – максимальная сила на обратном ходе зонда АСМ, когда происходит сти размером 1,5 на 1,5 мкм.

Установлено, что наибольшей жесткопрерывание его контакта с поверхностью, u – глубина внедрения зонда, F – сила на стью и наименьшей адгезией обладали конце кантилевера, s – коэффициент Пу- частицы нанонаполнителя. Их жесткость достигала 1000 МПа. На самом деле она ассона образца.

Для исследований были выбраны об- могла быть и выше, так как эти значения разцы ПЭ 107-02К с наполнением 0 и находились на пределе верхнего порога 15 мас%. Сканировали квадратные облас- чувствительности кантилевера (конструк

–  –  –

Рис. 3. АСМ-скан жесткости (E s ) наполненного полиэтилена (15 мас%). Максимальные значения отображаются темнокрасным, минимальные – синим, промежуточные значения по возрастанию: голубой – зеленый – желтый Рис. 4. АСМ-скан адгезии (F adh ) наполненного полиэтилена (15 мас%).

Впадины отображаются темным цветом, возвышенности – светлым;

максимальные значения – темно-красным, минимальные – синим, промежуточные значения по возрастанию: голубой – зеленый – желтый ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА 2/2014 тивная особенность прибора такова, что ют форму плоских «монеток» с характервсе, что выше, он показывает как ным диаметром порядка 80–100 нм. КриМПа). Сила прилипания к силикат- сталлиты, выходящие на поверхность обным включениям соответствовала при- разца, представляют собой образования мерно 0,1–2 нН, то есть практически от- из нескольких слабоизогнутых пачек пасутствовала. Аморфная фаза была наиме- раллельных пластин толщиной 30–60 нм.

нее жесткой – от 15 до 30 МПа, но обла- Количество этих слоев варьируется в предала наибольшей адгезионной способно- делах от 10 до 20.

Судя по полученным сканам (если стью – около 15–20 нН. Жесткостные и адгезионные характеристики кристалли- сравнивать топологию наполненного и тов лежали где-то посередине: примерно ненаполненного ПЭ), можно сделать выМПа и 7 нН соответственно. вод, что наличие частиц наполнителя слаЧастицы наполнителя на сканах име- бо влияет на процесс кристаллизации.

–  –  –

This paper describes the basic principles of atomic force microscope (AFM) – one of the most promising tools for studying nanostructured materials. Experimental results of the study of the structure and local mechanical properties of polymeric materials and nanocomposites are presented.

Also, the results of theoretical modeling of the contact mode of AFM needed to provide adequate treatment and interpretation of experimental data are described. Conditions of applicability of standard techniques of AFM software for description of experimental scans for the case of polymeric materials are defined.

Keywords: Atomic-force microscope, nanoindentation, polymer, nanocomposite.

Сведения об авторе Гаришин Олег Константинович, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт механики сплошных сред УрО РАН (ИМСС УрО РАН), 614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1; e-mail: gar@icmm.ru



Похожие работы:

«Псйд Народного Образования екое ритл м РЕЗОЛЮЦИИ ПЕРМСКОЙ ОКРУЖНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ по На р д ному Образованию о 12— 19 августа 1929 г. Г. Пер м ь 1 9 29 г. mi Всем работникам просвещения и членам советов учреждений Н. О, Постановления при...»

«В.П. Строшков, Л.А. Рапопорт, С.В. Степанов АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ КОНТРОЛЕРОВ-РАСПОРЯДИТЕЛЕЙ Практическое пособие Екатеринбург УДК 796.02 ББК 75.48 Авторы: Кандидат технических наук, доцент В.П. Строшков Доктор педагогических наук, профессор Л.А. Рапопорт Доктор педаг...»

«Инв. № подл. Подп. и дата Взам. инв. № Изм. Лист Подп. Стадия Лист Листов Взам. инв. № Подп. и дата Изм. Лист Подп. Стадия Лист Листов Инв. № подл. Копировал A1 Взам. инв. № Подп. и дата Изм. Лист Подп. Стадия Лист Листов Инв. № подл. Копировал A1 Взам. инв. № Подп. и дата Изм. Лист Подп. Стадия Лист Листов Инв. №...»

«УДК 636.5 ББК 36.92 С-73 Тлецерук Ирина Рашидовна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры землеустройства ФГБОУ ВПО "Майкопский государственный технологический университет"; тел.: 8(8772)523064; Темираев Константин Борисович, доктор химических наук, доц...»

«ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР КОЛЛЕКТОРОВ Дидух Д.С. – магистрант гр. 8ЭМ(в)-01, Грин В.М. – к.ф-м.н., доцент Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (г. Барнаул) На современном этапе...»

«Модель AD603 VOLCANO Инструкция по эксплуатации www.comfortvdome.ru Технические параметры 1 Номинальное напряжение : 220~240V AC / 50Hz 2 Мощность пламени 140W 230V MS11 35Wx3 нагревателя 950/1800W 3Вес нетто 17.0kg Вес брутто 18.5kg 4Габаритный размер Ш*Г*В 510X317X705mm 5Внутренний размер Ш*Г*В 403x240x65...»

«ГАПОУ СТЕРЛИТАМАКСКИЙ КОЛЛЕДЖ СТРОИТЕЛЬСТВА И ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПО ВАРИАТИВНОЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ "БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЕ" Соответствует ФГОС 3 поколения Разработчик: О.А. Арасланова,...»

«ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГАЗПРОМ" Документы нормативные для проектирования, строительства и эксплуатации объектов ОАО "Газпром" РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ Рекомендации организации СКВАЖИН СЕНОМАНСКИХ ЗАЛЕЖЕЙ ПО КОНЦЕНТРИЧЕСКИМ ЛИФТОВЫМ КОЛОННАМ Р Газпром 2-3.3-556-2011 ИЗДАНИЕ ОФИЦИАЛЬНОЕ Москва 2011 2-3.3-556-2011_obl.indd 2-3...»








 
2017 www.lib.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.