Ny analytisk teknologi afslører nanomekaniske overfladeegenskaber

(Phys.org) - En ny forskningsplatform bruger en laser til at måle de "nanomekaniske" egenskaber ved små strukturer, der udsættes for stress og opvarmning, en tilgang, der sandsynligvis vil give indsigt for at forbedre design til mikroelektronik og batterier.

Denne nye teknik, kaldet nanomekanisk Raman-spektroskopi, afslører information om, hvordan opvarmning og overfladespænding af mikroskalastrukturer påvirker deres mekaniske egenskaber. Forskere har diskuteret fordelene ved overfladespændingsindflydelse på mekaniske egenskaber i årtier. Imidlertid, den nanomekaniske Raman-spektroskopi har tilbudt den første sådan måling, sagde Vikas Tomar, en lektor i Purdues School of Aeronautics and Astronautics.

Overfladespænding svarer til overfladespændingen, der tillader små insekter at gå på vandet, gør vanddråber sfæriske, og får menneskehud til i starten at modstå en nåles gennemtrængning. På den relativt store skala af alm. hverdagsmaskiner, overfladespænding er ubetydelig, men det bliver kritisk for mikro- og nanostrukturer, han sagde.

Nylige resultater er potentielt vigtige, fordi siliciumstrukturer målt på skalaen af ​​mikrometer og nanometer udgør væsentlige komponenter i halvlederprocessorer, sensorer og en spirende klasse af miniscule maskiner kaldet mikroelektromekaniske systemer.

"Funktionen af ​​sådanne enheder har vist sig at være stærkt påvirket af deres driftstemperatur, "Sagde Tomar." Sådanne tæt emballerede enheder genererer betydelig varme under drift. Imidlertid, indtil nu har vi ikke været i stand til at måle, hvordan opvarmning og overfladespænding bidrager til mekaniske egenskaber."

Oplysninger om platformen og nye forskningsresultater blev beskrevet i tre artikler offentliggjort i år. Den seneste dukkede op 15. august i Journal of Applied Physics . Tomar har ledet forskningen med den tidligere doktorand Ming Gan, der er uddannet og nu arbejder i industrien, og nuværende doktorand Yang Zhang.

I Raman-spektroskopi, en laser interagerer med det vibrerende krystalgitter af materialer, at give oplysninger om materialernes kemiske sammensætning.

"Men vi har ikke været i stand til at inkorporere in-situ stress eller deformation i disse kemiske signaturer, "Tomar sagde." Nu har vi kombineret nanomekaniske målinger til Raman -spektroskopi. "

Forskerne brugte teknikken til at studere siliciumudkragere i mikroskala, små dykkerbrætformede stykker omkring 7 mikron tykke, eller omtrent en tiendedel tykkelsen af ​​et menneskehår, og 225 mikron lang. Friløberne blev opvarmet og stresset samtidigt. Overfladespændinger på mikro- og nanoskalaerne blev målt for første gang i forbindelse med temperaturændringer og en strukturs deformation.

Fund viser, at opvarmning af en cantilever fra 25 til 100 grader Celsius, mens belastningen påføres strukturen, forårsager en dramatisk stigning i belastningshastigheden, eller deformation.

Opvarmningen reducerer bindingskræfterne mellem atomer på overfladen af ​​strukturerne. Den lavere bindingskraft resulterer i en "afslappet" tilstand af overfladen eller atomer nær overfladen, der skrider frem, når temperaturen stiger, fører til revner og enhedsfejl.

"Nøglen er at være i stand til at måle termiske og mekaniske egenskaber samtidigt, fordi de er indbyrdes forbundne, og overfladespænding påvirker mekaniske egenskaber, "Sagde Tomar.

Fund er potentielt vigtige for måling af komponenter i batterier for at undersøge spændinger, da de konstant udvides og trækker sig sammen under opladnings-afladningscyklusser. Almindelige sensorer er ikke i stand til at modstå straffende forhold inde i batterier.

Imidlertid, fordi Raman -spektroskopi bruger en laser til at udføre målinger, det behøver ikke at være tilsluttet batterierne, muliggør en ny type sensor fjernet fra de barske forhold inde i batterierne.

"Hvis du ikke har brug for indbyggede sensorer, kan du gå ind i ekstreme miljøer, "sagde han." Du kan lære, hvordan belastningerne udvikler sig, så vi kan designe bedre batterier. "

En sådan teknologi kan også være vigtig for udviklingen af ​​superstærke kompositmaterialer, der efterligner dem, der findes i nogle havdyr, der er i stand til at overleve under de ekstreme forhold, der findes i hydrotermiske åbninger på havbunden. En hindring er at overvinde spændinger, der opstår ved grænsefladerne mellem forskellige lag i kompositmaterialerne.

"Disse materialer går altid i stykker ved grænsefladerne, " sagde Tomar. "Nu kan vi forstå, da materialet deformeres, hvordan grænsefladespændingerne udvikler sig, og dette vil give os mulighed for at forudsige, hvordan vi kan ændre dem. "