MEMS pro mechanickou charakterizaci in situ - MEMS for in situ mechanical characterization

MEMS (mikroelektromechanické systémy ) pro in situ odkazuje se na mechanickou charakterizaci mikrofabrikované systémy (laboratoř na čipu ) slouží k měření mechanických vlastností (Youngův modul, lomová pevnost ) z nanoměřítku vzorky jako např nanodráty, nanorody, vousy, nanotrubičky a tenké filmy. Odlišují se od ostatních metod nanomechanického testování, protože snímací a ovládací mechanismy jsou zabudovány a / nebo spoluvyráběny v mikrosystém, poskytující - ve většině případů - větší citlivost a přesnost.

Tato úroveň integrace a miniaturizace umožňuje provádět mechanickou charakterizaci in situ, tj. testování při sledování vývoje vzorku na přístrojích s velkým zvětšením, jako jsou optické přístroje mikroskopy, rastrovací elektronové mikroskopy (SEM), transmisní elektronové mikroskopy (TEM) a rentgenové instalace. Dále analytické schopnosti těchto přístrojů jako např spektroskopie a difrakce lze použít k další charakterizaci vzorku a poskytnutí úplného obrazu o vývoji vzorku při jeho načítání a selhání. Díky vývoji vyspělých technologií mikrofabrikace MEMS se v posledních letech zvyšuje využití těchto mikrosystémů pro výzkumné účely.

Většina současného vývoje je zaměřena na implementaci in situ mechanické testování spojené s jinými typy měření, jako je elektrické nebo tepelné, a aby se rozšířil rozsah testovaných vzorků na biologickou doménu, testování vzorků, jako jsou buňky a kolagenové fibrily.

Mechanická charakterizace v nanoměřítku

Typická makroskopická mechanická charakterizace se většinou provádí za jednoosých tahových podmínek. Navzdory existenci dalších metod mechanické charakterizace, jako je tříbodový ohyb, zkouška tvrdosti atd., Umožňuje jednoosé zkoušení tahem měřit nejzásadnější mechanické měření vzorku, jmenovitě jeho křivku napětí-deformace. Z této křivky lze vypočítat důležité vlastnosti, jako je Youngův modul, mez kluzu, pevnost v lomu. Lze vypočítat i další vlastnosti, jako je houževnatost a tažnost.

V nanoměřítku je vzhledem ke zmenšené velikosti vzorku a měřeným silám a posunům náročné jednoosé testování nebo jakékoli mechanické testování. Výsledkem je, že většina testů se provádí v jiných konfiguracích, než je jednoosý tah, s využitím dostupných vědeckých nástrojů v nanoměřítku, jako je mikroskop atomové síly (AFM) provést tříbodový ohybový test, SEM a TEM provést ohybové rezonanční testy a nanoindentery provést kompresní testy. V posledních letech se zjistilo, že výsledky nejsou zcela jednoznačné. Příkladem toho byla skutečnost, že různí vědci získali různé hodnoty stejné vlastnosti pro stejný materiál.[1] To podnítilo vývoj MEMS se schopností provádět tahové zkoušky na jednotlivých prvcích nanoměřítka.

Historické souvislosti a nejnovější stav techniky

Zájem o nanomechanické testování zpočátku vzbudila potřeba charakterizovat materiály, které byly použity při výrobě MEMS. William N. Sharpe ve společnosti Univerzita Johna Hopkinse provedl průkopnické práce při testování mikroskopického vzorku polykrystalického křemíku.[2] Některý počáteční vývoj se skládal převážně z miniaturizovaných verzí univerzální testovací stroje, které byly vyrobeny standardními technikami obrábění. Byly však poskytnuty důležité příspěvky a postřehy týkající se mechanismů uchopení vzorků a mechaniky materiálů v mikronovém měřítku. Stejně tak Horacio D. Espinosa v Northwestern University vyvinuli experiment s odkloněním membrány,[3] který byl zaměstnán na úrovni MEMS[4] stejně jako ve vzorcích tenkých vrstev. Nejnovější odhalily první experimentální důkazy o plasticitě v měřítku tenké metalízy volné stání filmy.[5] Později byly provedeny studie efektu velikosti na monokrystalických pilířích pomocí nanoindentace mikrofabrikovaných vzorků pomocí zaostřeného iontového paprsku.[1]

Později lze Tahera Sajfa z University of Illinois - Urbana Champaign připsat na vrub vývoje mikrofabrikovaných stádií.[6] Několik výsledků in situ Jeho skupina předvedla SEM a TEM pro tenké filmy[7] včetně stolku pro simultánní elektrické a mechanické zkoušky, i když toto zařízení používalo externí ovládání a snímání.[8] Zásadní průlom v elektronické integraci MEMS učinil Horacio D. Espinosa a jeho skupina na Northwestern University. Navrhli a vyvinuli skutečný systém MEM, který zahrnoval kapacitní snímání pro elektronické měření zátěže a tepelné ovládání pro namáhání vzorků v jednom jediném čipu.[9] Systém mohl být provozován uvnitř transmisního elektronového mikroskopu. Platforma založená na MEMS byla použita ke studiu vzorků polysilikonu,[10] vícestěnné CNT[11] a více nedávno kovové[10] a polovodičové nanodráty.[12][13] Zejména pomocí tohoto zařízení byla poprvé experimentálně měřena teoretická síla uhlíkových nanotrubiček.[11]

Obrázek 1. Schéma MEMS pro in situ tahové zkoušky nanostruktur.[9]

Po těchto průkopnických pracích pokračovaly další výzkumné skupiny při vývoji vlastních MEMS pro mechanické testování. Mezi důležité příklady patří skupina deBoer v Sandia National Labs, která se specializuje na testování vzorků z polykrystalického křemíku.[14] Na Ecole Polythecnique Federale de Lausanne (EPFL) vyvinula skupina Michler's elektrostaticky ovládané zařízení, podobné původnímu designu Espinosy, v technologii Silicon-On-Insulator.[15] Výhodou těchto zařízení je vyšší poměr stran, a tedy vyšší citlivost ve snímacích strukturách. Někteří další vědci vyvinuli další zařízení podle obrysů modelů od Espinosy, Sajfa a Haqueho; například Victor Bright na University of Colorado - Boulder.[16] Tato technologie dosáhla takové úrovně vyspělosti, že nyní standardní zařízení nabízí Centrum pro integrované nanotechnologie (CINT) v Sandia National Labs výzkumníkům, kteří se zajímají o mechanické testování vzorků v nanometrech.[17]

Budoucí pokyny

Několik metod nanomechanické charakterizace přineslo mnoho výsledků pro vlastnosti hmoty v nanoměřítku. Důsledně bylo zjištěno, že mechanické vlastnosti materiálů se mění v závislosti na velikosti. V kovech se zvyšuje modul pružnosti, mez kluzu a lomová pevnost, zatímco u polovodivých křehkých materiálů jsou pozorovány buď přírůstky, nebo redukce v závislosti na materiálu.[1]

Objev, že mechanické vlastnosti jsou skutečně závislé na velikosti, podnítil teoretický a experimentální zájem o závislost na velikosti jiných vlastností materiálu, jako jsou tepelné a elektrické; a také spojené efekty, jako je elektromechanické nebo termomechanické chování. Zvláštní pozornost byla zaměřena na charakterizaci elektromechanických vlastností, jako je piezorezistivita a piezoelektřina. Většina současného zaměření na vývoj MEMS pro in situ testování spočívá v této oblasti na příkladech Haque, Espinosa a Zhang.[18]

Na druhou stranu, vzhledem k tomu, že MEMS prokázal, že je proveditelnou technologií pro charakterizaci mechanických vlastností v nanoměřítku, bylo hledáno použití této technologie na jiné typy problémů. Zejména biologické systémy podněcují zájem, protože porozumění mechanice v biologických systémech nachází uplatnění v diagnostice a léčbě nemocí a při konstrukci nových materiálů. Škály velikosti v biologickém testování jsou v mikronovém rozsahu se strukturami, které jsou obvykle velmi kompatibilní. To vyžaduje vývoj zařízení s vysokou schopností posunutí a velmi vysokým rozlišením síly. Posledními příklady jsou tahová charakterizace kolagenových fibril[19][20] a svazky DNA.[21]

Reference

  1. ^ A b C Agrawal, R. & Espinosa, H.D. (2009). „Víceúrovňové experimenty: stav techniky a zbývající výzvy“. Journal of Engineering Materials and Technology. 131 (4): 0412081–04120815. doi:10.1115/1.3183782.
  2. ^ Sharpe, W.N. (2008). "Přehled metod zkoušení tahem pro tenké vrstvy". Řízení MRS. 1052: 3–14. doi:10.1557 / PROC-1052-DD01-01.
  3. ^ Espinosa, H.D., B.C. Prorok a M. Fischer (2003). "Metodika pro stanovení mechanických vlastností volně stojících tenkých vrstev a materiálů MEMS". Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 51 (1): 47–67. Bibcode:2003JMPSo..51 ... 47E. doi:10.1016 / S0022-5096 (02) 00062-5.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  4. ^ Espinosa, H.D., Y. Zhu, M. Fischer a J. Hutchinson (2003). „Experimentální / výpočetní přístup k identifikaci modulů a zbytkového stresu v MEMS vysokofrekvenčních přepínačích“ (PDF). Experimentální mechanika. 43 (3): 309–316. doi:10.1007 / BF02410529.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  5. ^ Espinosa, H.D., B.C. Prorok a B. Peng (2004). „Efekty velikosti plastů ve volně stojících submikronových polykrystalických FCC filmech vystavených čistému napětí“. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 52 (3): 667–689. Bibcode:2004JMPSo..52..667E. doi:10.1016 / j.jmps.2003.07.001.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  6. ^ Saif, M.T.A. & MacDonald, N.C. (1996). . Senzory a akční členy A. 52 (1–3): 65–75. doi:10.1016/0924-4247(96)80127-0.
  7. ^ Haque, M.A. a M.T.A. Sajfa (2002). „Zkouška tahem in-situ vzorků v nanoměřítku v SEM a TEM“. Experimentální mechanika. 42 (1): 123–128. doi:10.1007 / BF02411059.
  8. ^ Han, J.H. & M.T.A. Sajfa (2006). "Mikrotenzilní stupeň in situ pro elektromechanickou charakterizaci volně stojících filmů v nanoměřítku". Recenze vědeckých přístrojů. 77 (4): 045102–8. Bibcode:2006RScI ... 77d5102H. doi:10.1063/1.2188368.
  9. ^ A b Zhu, Y. & Espinosa, H.D. (2005). „Elektromechanický systém pro testování materiálů pro elektronovou mikroskopii in situ a aplikace“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 102 (41): 14503–14508. Bibcode:2005PNAS..10214503Z. doi:10.1073 / pnas.0506544102. PMC  1253576. PMID  16195381.
  10. ^ A b Peng, B., Y.G. Sun, Y. Zhu, H.-H. Wang a H.D. Espinosa (2008). „Testování jednorozměrných nanostruktur v nanoměřítku“. V F. Yang; C.J.M. Li (eds.). Mikro a nanomechanické testování materiálů a zařízení. Springer. str.287 –311. doi:10.1007/978-0-387-78701-5_11. ISBN  978-0387787008.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  11. ^ A b Peng, B., M. Locascio, P. Zapol, S. Li, S.L. Mielke, G.C. Schatz a H.D. Espinosa (2008). „Měření téměř konečné pevnosti pro vícestěnné uhlíkové nanotrubice a vylepšení zesíťování vyvolané ozářením“. Přírodní nanotechnologie. 3 (10): 626–631. doi:10.1038 / nnano.2008.211. PMID  18839003.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  12. ^ Agrawal, R., B. Peng, E.E. Gdoutos a H.D. Espinosa (2008). „Účinky velikosti pružnosti v nanodrátech ZnO - kombinovaný experimentálně-výpočetní přístup“. Nano dopisy. 8 (11): 3668–3674. Bibcode:2008 NanoL ... 8.3668A. doi:10.1021 / nl801724b. PMID  18839998.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  13. ^ Bernal, R.A., R. Agrawal, B. Peng, K.A. Bertness, N.A. Sanford, A.V. Davydov a H.D. Espinosa (2010). „Vliv orientace a průměru růstu na pružnost nanodrátů GaN. Kombinace v situ TEM a vyšetřování atomistického modelování“. Nano dopisy. 11 (2): 548–55. Bibcode:2011NanoL..11..548B. doi:10.1021 / nl103450e. PMID  21171602.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  14. ^ Siddharth, S.H. (2009). "Demonstrace in situ on-chip tahový tester ". Journal of Micromechanics and Microengineering. 19 (8): 082001. doi:10.1088/0960-1317/19/8/082001.
  15. ^ Zhang, Dongfeng; Breguet, Jean-Marc; Clavel, Reymond; Philippe, Laetitia; Utke, Ivo; Michler, Johann (2009). "In situ tahové testování jednotlivých Co nanodrátů uvnitř rastrovacího elektronového mikroskopu". Nanotechnologie. 20 (36): 365706. Bibcode:2009Nanot..20J5706Z. doi:10.1088/0957-4484/20/36/365706. PMID  19687546.
  16. ^ Brown, J.J., A.I. Baca, K.A. Bertness, D.A. Dikin, R.S. Ruoff a V.M. Bright (2011). "Měření tahů nanodrátů nitridu monokrystalického gália ve zkušebních fázích MEMS". Senzory a akční členy A. 166 (2): 177–186. doi:10.1016 / j.sna.2010.04.002.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  17. ^ Discovery Platforms. cint.lanl.gov (2009)
  18. ^ Haque, M.A., H.D. Espinosa a H. J. Lee (2010). „MEMS pro testování na místě - manipulace, ovládání, načítání, měření posunutí“. Bulletin MRS. 35: 375. doi:10.1557 / mrs2010.570.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  19. ^ Eppell, S.J., Smith, B.N., Kahn, H., Ballarini, R. (2006). „Nano měření pomocí mikro zařízení: mechanické vlastnosti hydratovaných kolagenových fibril“. Journal of the Royal Society Interface. 3 (6): 117–121. doi:10.1098 / rsif.2005.0100. PMC  1618494. PMID  16849223.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  20. ^ Shen, Z.L., Kahn, H., Ballarini, R., Eppell, S.J .; Kahn; Ballarini; Eppell (2011). "Viskoelastické vlastnosti izolovaných kolagenových vláken". Biofyzikální deník. 100 (12): 3008–3015. Bibcode:2011BpJ ... 100.3008S. doi:10.1016 / j.bpj.2011.04.052. PMC  3123930. PMID  21689535.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  21. ^ Yamahata, C., D. Collard, B. Legrand, T. Takekawa, M. Kumemura, G. Hashiguchi a H. Fujita (2008). „Křemíkové nanotweezery s rozlišením subnanometru pro mikromanipulaci biomolekul“. Časopis mikroelektromechanických systémů. 17 (3): 623–631. doi:10.1109 / JMEMS.2008.922080.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)