NIOS納米機械測試/原位納米壓痕儀

NIOS納米機械測試/原位納米壓痕儀是實現超過(guo)30種不同的(de)(de)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)的(de)(de)全能系統，涵蓋了(le)亞微米和納米尺度所有類型(xing)的(de)(de)物理和機械性能測(ce)量(liang)。通過(guo)NIOS壓痕儀控制軟件，可以實現高(gao)度自動(dong)化的(de)(de)測(ce)量(liang)，允(yun)許終端用戶(hu)配置任何測(ce)量(liang)方案，無需操作員(yuan)干(gan)預即可執行。這(zhe)一(yi)特(te)(te)性對于(yu)材料質量(liang)的(de)(de)技(ji)術(shu)控制特(te)(te)別(bie)有用。有了(le)這(zhe)個(ge)新(xin)增的(de)(de)功(gong)能，NIOS既可以用于(yu)研(yan)究工作，也可以用于(yu)工業應(ying)用。

NIOS系列納(na)(na)(na)米(mi)機(ji)械(xie)測(ce)(ce)試/納(na)(na)(na)米(mi)壓痕儀(yi)的模塊化設計允許終端(duan)用(yong)戶根據(ju)自己的需要(yao)配置(zhi)(zhi)納(na)(na)(na)米(mi)機(ji)械(xie)測(ce)(ce)試機(ji)。NIOS納(na)(na)(na)米(mi)機(ji)械(xie)測(ce)(ce)試機(ji)的配置(zhi)(zhi)可包括以下模塊: 寬(kuan)量(liang)程納(na)(na)(na)米(mi)壓痕儀(yi)；光學顯(xian)微鏡；原(yuan)子力顯(xian)微鏡；掃描納(na)(na)(na)米(mi)機(ji)械(xie)測(ce)(ce)試儀(yi)；電特(te)性測(ce)(ce)量(liang)；側向(xiang)力傳感器；原(yuan)位形貌(mao)成像；加熱臺等(deng)。

測量(liang)模式(shi)和測量(liang)方法：

1.機(ji)械性能(neng)測量：儀器壓痕(hen)符合ISO 14577；維(wei)(wei)氏(shi)顯(xian)微硬度(du)(du)(du)測量(liang)(liang)；具有恒(heng)定或可(ke)變載荷的硬度(du)(du)(du)測試(通過劃痕(hen)測量(liang)(liang)硬度(du)(du)(du)；力(li)光譜學(xue)；機械(xie)化學(xue)納米；梁和(he)膜的剛(gang)度(du)(du)(du)測量(liang)(liang)；硬度(du)(du)(du)和(he)彈性模量(liang)(liang)對(dui)壓痕(hen)深度(du)(du)(du)的依賴(lai)性；自動測繪(hui)的二維(wei)(wei)和(he)三維(wei)(wei)硬度(du)(du)(du)和(he)彈性模量(liang)(liang)分布在面積為(wei)50x50mm的表面；通過劃痕(hen)試驗確定附(fu)著力(li)；測量(liang)(liang)液體

2.納米摩(mo)擦(ca)測量：載荷作(zuo)用下(xia)的循環表面磨(mo)損；在研究表面上進(jin)行潤滑(hua)脂的納米摩擦(ca)學試驗

3.光(guang)學(xue)顯微測量(liang)：納米力學測試領域的選(xuan)擇；對象尺寸測量和(he)高精度定位(wei)

4.原位掃描模式：用控制負(fu)載或壓痕深度(du)測量電(dian)(dian)流-電(dian)(dian)壓特性；納米(mi)力學測試中的電(dian)(dian)流擴展(zhan)測量

5.原子(zi)力(li)顯(xian)微測量：接觸原(yuan)子(zi)力(li)(li)(li)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(AFM)；振動(半接觸)原(yuan)子(zi)力(li)(li)(li)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(VAFM)；掃(sao)描(miao)隧道顯(xian)微(wei)(wei)鏡(STM)；高(gao)磁場顯(xian)微(wei)(wei)鏡(M-AFM)；電(dian)導率(lv)和電(dian)勢顯(xian)微(wei)(wei)鏡(E-AFM)；力(li)(li)(li)調制(FM-AFM)；橫向力(li)(li)(li)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(LF-AFM)；粘(zhan)滯力(li)(li)(li)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(V-AFM)；粘(zhan)附原(yuan)子(zi)力(li)(li)(li)顯(xian)微(wei)(wei)鏡(AD-AFM)；光刻技術模式(AFM-LIT)；根據(ju)殘余壓印(yin)測量硬度；對二維(wei)和三維(wei)地表起伏度圖像的粗(cu)糙度參數進行了擴展計算

可測(ce)量(liang)的特(te)征參(can)數(shu)：壓印硬度(du)(顯微硬度(du))；壓痕(hen)硬度(du)(納米硬度(du))；彈(dan)性(xing)(xing)模(mo)量(折算楊氏模(mo)量)；彈(dan)性(xing)(xing)恢(hui)復(fu)系(xi)數；附著力；涂(tu)膜厚度(du)；機械(xie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)映射(she)；機械(xie)性(xing)(xing)能(neng)(neng)與深度(du)；力學性(xing)(xing)能(neng)(neng)vs三坐(zuo)標(biao)(層析成像)；微結構剛度(du)和位移(yi)；斷裂阻(zu)力；耐用性(xing)(xing)；線性(xing)(xing)磨損強度(du)；摩擦系(xi)數；刮傷時的(de)側向(xiang)力；表面形(xing)貌；粗(cu)糙度(du)參數；原位電壓特性(xing)(xing)；電阻(zu)系(xi)數

應用領域：

材(cai)(cai)料科學，材(cai)(cai)料研究(jiu)和工程：納米(mi)相(xiang)與復合(he)材(cai)料(liao)(liao)；超(chao)分散硬(ying)質合(he)金；新型硬(ying)、超(chao)硬(ying)材(cai)料(liao)(liao)；結構納米(mi)材(cai)料(liao)(liao):合(he)金，復合(he)材(cai)料(liao)(liao)，陶瓷；薄膜(mo)和(he)涂層(ceng)；碳納米(mi)材(cai)料(liao)(liao)和(he)纖維

能源：用于(yu)核能(neng)的納米材料；渦輪葉片涂層

儀器工程(cheng)：新(xin)型(xing)半導體材料；光學(xue)組件；微型(xing)和(he)納米機電系統(MEMS和(he)NEMS)；用于(yu)夜(ye)視設備(bei)的微通道板；存儲設備(bei)(如(ru)硬盤驅動器)；納米光刻

醫學：牙科(ke)的新材料(liao)；納米材料(liao)植(zhi)入物(wu)；生物(wu)活性涂層(ceng)；支(zhi)架

汽車、飛機制(zhi)造；空間研究(jiu)和(he)機械(xie)工(gong)程：新(xin)型結構(gou)和功能納(na)米材料(liao)；機械部件耐磨涂層；刀具(ju)涂層；硬質合金刀具(ju)質量控(kong)制；金剛(gang)石及金剛(gang)石粉

計(ji)量：利用(yong)三(san)軸激光干涉術測(ce)量納米尺度的線性尺寸

包裝：塑料制品的保護涂(tu)層；玻璃和金屬裝飾和功能涂(tu)層

教育：納(na)米壓(ya)痕和掃描(miao)探(tan)針(zhen)顯微鏡(jing)實驗(yan)室課程及(ji)高級研究

NIOS系列納米(mi)機械(xie)測(ce)試/納米(mi)機械(xie)測(ce)試器(qi)有三個平(ping)臺可供選擇:緊湊型(xing)(xing)，標準型(xing)(xing)，增強型(xing)(xing)。根據所選平(ping)臺的(de)大小，該設(she)備可能包括(kuo)以下三個測(ce)量模(mo)塊中的(de)一個、兩個:

• 寬量程納米壓痕儀

• 掃描納米機械(xie)測試儀

• 原子(zi)力(li)顯微鏡

• 光學顯(xian)微鏡

   

對NIOS標(biao)準儀(yi)(yi)器(qi)進行特殊(shu)修(xiu)改后(hou)，可(ke)以配置三軸外差干涉儀(yi)(yi)，用于線(xian)性位移(yi)納米測(ce)量。根(gen)據平臺的類型，可(ke)以增加(jia)附(fu)加(jia)選(xuan)項，如側向(xiang)力傳感器(qi)、加(jia)熱臺、高負(fu)載(zai)選(xuan)項、聲發射傳感器(qi)、往(wang)復式磨損模塊等(deng)。

1. 寬量程納米壓痕模(mo)塊

技(ji)術數據：

壓痕(hen)模塊有4種基本工作(zuo)模式:

技術數據：

XYZ軸的測(ce)量范圍:500um

三軸(zhou)分辨率均不小于0.01 nm

在1hz到1khz的頻帶內，干涉儀(yi)均方(fang)根的噪聲水平不超過1nm

軸位移(yi)測量的非正交(jiao)性:0.01弧度

相移范圍:±1*104弧度

相位位移分辨率:10-4弧度

時間測量(liang)分辨(bian)率:1 ms

zui大掃(sao)描速率(lv):100um/s

工作區域的熱(re)量釋放不超過5W

5.透(tou)明金剛(gang)石壓(ya)頭作為(wei)光學目鏡(jing)

配置向導：

第1步：框架尺寸

緊湊型：200x300 mm （可安(an)裝(zhuang)1個(ge)測量模塊）

標(biao)準型：450x400 mm（可安裝(zhuang)2個測(ce)量(liang)模塊）

增強型：550x450 mm （可安裝(zhuang)3個測量模塊）

第2步：測量模塊

左(zuo)一：寬量程納米壓痕儀

左二：掃(sao)描納(na)米機械測試(shi)儀

左三：原子(zi)力顯微鏡AFM

左四：光學顯微鏡

第3步(bu)：樣品(pin)臺

第4步：擴展件

第5步：配件及其它

NIOS配置(zhi)表(biao)：

附加單元和傳感器(qi)

NIOS納米(mi)機(ji)械測試(shi)器有很多額外(wai)的單(dan)元和傳(chuan)感器。這擴(kuo)展了(le)測量(liang)系統的功能，并為客(ke)戶的需(xu)求提供了(le)zui大(da)程度的設(she)備適應。

測量平(ping)臺的zui終配置取決于客戶的研究(jiu)任務。

為了(le)處理不尋常的研究任(ren)務，有(you)可能(neng)創造新的單(dan)位(wei)，修改(gai)現有(you)單(dan)位(wei)和傳感器，并安裝(zhuang)在其他制造商(shang)的NIOS單(dan)位(wei)。

側向力傳感器(qi)：在硬度(du)測(ce)量(liang)(liang)和多循(xun)環(huan)磨損(sun)期(qi)間的側向(xiang)力測(ce)量(liang)(liang)；摩(mo)擦(ca)學試驗中摩(mo)擦(ca)系數(shu)的測(ce)量(liang)(liang)

原位掃描單元：金剛石壓頭表面形(xing)貌可視化(hua)的(de)SPM模式

加熱臺：zui高(gao)溫(wen)度:400℃；zui大加熱速率(lv):1℃/s；溫(wen)度穩定:0.1℃；樣(yang)品zui大尺寸(cun)(WxLxH): 25x25x10mm

電氣性能測量模塊(kuai)：機械試驗期間的(de)電流-電壓特性和電流擴散測量

樣品(pin)臺：虎頭鉗，夾具，支撐，真(zhen)空(kong)吸盤

旋轉臺(tai)：力學性能各(ge)向(xiang)異(yi)性研究；樣品定位擴(kuo)展功能

硬度計壓頭(tou):壓頭由摻雜和高(gao)品質合成的單晶(jing)金剛(gang)石制(zhi)成；Berkovich三棱錐；Knoop四(si)(si)面(mian)(mian)椎(zhui) ；Vickers四(si)(si)面(mian)(mian)錐；平(ping)面(mian)(mian)沖頭，直徑50um-2mm；具有給定半徑的球面(mian)(mian)頂端

參照樣品：參考(kao)(kao)樣(yang)品(pin)(RS)是由一種材料(liao)經過特殊表面(mian)處理制成的。參考(kao)(kao)樣(yang)品(pin)用于校正NIOS裝置，并經檢驗(yan)符合既定標準(zhun)(zhun)。每個RS都有一個RS的護照(zhao)，其中包含(han)標準(zhun)(zhun)計量特征、應用說明和運輸和儲存條件。

聚碳(tan)酸(suan)酯參照樣品:硬度:0.21±0.02 GPa；彈性模量(楊(yang)氏模量):3±0.3 GPa；粗糙度:<5 nm；尺寸:10x10x7 mm；表面(mian)處理:無(wu)

鋁(lv)參照樣品：硬度:0.5±0.1 GPa；彈性(xing)模量:70,0±7,0 GPa；粗糙(cao)度:< 5海里；尺寸(cun):10 x10x8毫米；表面處(chu)理:拋光、電(dian)解蝕(shi)刻(ke)

熔融石英參照樣品(pin)：硬(ying)度:9.5±1.0 GPa；彈性模量:72.0±3.0 GPa；粗糙度:< 5海里；尺寸:7 x10x4毫(hao)米；表面處理:深磨(mo)-拋光

藍寶石(shi)參照樣品：硬度(du):24.5±2.5 GPa；彈性(xing)模(mo)量:415.0±35.0 GPa；粗糙度(du):< 5海里；尺(chi)寸:25×5毫米(mi)；表面處(chu)理:epi拋光

測量分析(xi)套件：

準靜態(tai)儀器壓痕測試是NIOS器件的基(ji)本功(gong)能(neng)。該算法基(ji)于對(dui)壓痕載(zai)荷位移數據的測量和分析(xi)。這(zhe)項技術(shu)是國際硬度測試標準ISO 14577的基(ji)礎(chu)。載(zai)荷(P)與深度(h)的典型(xing)實驗(yan)曲線包括加載(zai)和卸載(zai)部(bu)分。

1. 多相材料研究

多相材料性能(neng)研究涉及(ji)壓(ya)頭在表面特定區(qu)域的精確定位，相應的單個(ge)部(bu)件。NIOS納米機(ji)械測試機(ji)結合(he)了掃描探針顯(xian)微鏡和硬度計(ji)的功能(neng)。

該裝置可獲得多(duo)相樣品的三維表面形貌圖像，然后通(tong)過(guo)與(yu)所得到圖像的連接測(ce)量位置。

壓(ya)頭在測量時(shi)相對于表面的定位精度在XY平面上約為(wei)10nm。

示例：D16鋁合金。表(biao)面形(xing)貌:壓痕前(a)，壓痕后(b)，不(bu)同性質相的載荷(he)-位移曲線(c)。

2.力學性能層析(xi)圖(tu)

基(ji)本儀器壓(ya)痕測試(shi)(ISO 14577)包(bao)含一個(ge)加載(zai)-卸載(zai)循環，因此給(gei)出對(dui)應于(yu)一個(ge)深(shen)(shen)度的硬度和(he)彈(dan)性模量(liang)。NIOS測試(shi)器可以進(jin)行部分卸荷壓(ya)痕(PUL):在(zai)表面上的給(gei)定位置，針尖穿透樣品，部分返(fan)回(hui)并再次(ci)穿透更深(shen)(shen)。這種多次(ci)重復的侵徹過程，使得(de)隨深(shen)(shen)度變化的力(li)學性能有可能得(de)到剖面。

允許沿深度剖面力(li)學(xue)(xue)性(xing)能(PUL或DMA)的(de)測試可以(yi)與部分(fen)覆蓋樣本區域的(de)網格一起布置，從而(er)有機會沿三個(ge)軸(zhou)(X、Y和Z)繪制(zhi)力(li)學(xue)(xue)性(xing)能。相(xiang)應的(de)數據用于構(gou)建彈(dan)性(xing)模(mo)量(liang)和硬度的(de)斷層圖。層析圖的(de)zui大表面積可達10 cm x 10 cm，zui大深度受樣品性(xing)質限制(zhi)，但不能大于200 um。

彈性模量斷層(ceng)圖(a)、硬度斷層(ceng)圖(b)。

2.力(li)學性能層析圖

基本儀器(qi)壓痕測試(ISO 14577)包含(han)一個加(jia)載(zai)-卸載(zai)循環，因此給出(chu)對應于一個深度(du)的(de)硬度(du)和彈性模量。NIOS測試器(qi)可以進(jin)行(xing)部分(fen)卸荷壓痕(PUL):在(zai)表面上(shang)的(de)給定(ding)位置(zhi)，針尖穿透樣品，部分(fen)返回(hui)并再次穿透更深。這種多次重(zhong)復的(de)侵徹過程，使得隨深度(du)變化的(de)力學性能有可能得到剖面。

允許(xu)沿深(shen)度(du)剖(pou)面(mian)(mian)力(li)學性(xing)能(PUL或(huo)DMA)的(de)(de)測試可以(yi)與部分覆(fu)蓋(gai)樣本區域的(de)(de)網格一(yi)起(qi)布(bu)置(zhi)，從而有機會沿三個(ge)軸(X、Y和(he)Z)繪制力(li)學性(xing)能。相(xiang)應的(de)(de)數據(ju)用于(yu)構(gou)建彈性(xing)模量和(he)硬度(du)的(de)(de)斷層圖。層析圖的(de)(de)zui大(da)(da)(da)表面(mian)(mian)積可達(da)10 cm x 10 cm，zui大(da)(da)(da)深(shen)度(du)受樣品(pin)性(xing)質限制，但不能大(da)(da)(da)于(yu)200 um。

彈性模量斷(duan)層圖(a)、硬度斷(duan)層圖(b)。

4. 劃痕(hen)硬度測試

用(yong)劃痕法測定硬(ying)度(du)意味(wei)著在樣品表(biao)面劃痕并測量其寬度(du)。您可以(yi)使(shi)用(yong)不同的NIOS模塊來測量這個值(zhi):光(guang)學(xue)顯微鏡，AFM或(huo)掃(sao)描納米機械測試器，掃(sao)描表(biao)面在SPM模式下，并用(yong)相同的探針制造劃痕。

與(yu)儀(yi)器測(ce)得(de)的(de)(de)壓痕(hen)劃痕(hen)測(ce)量相似(si)，需(xu)要預先校準頂端形(xing)狀的(de)(de)功(gong)能。這是通(tong)過測(ce)量刮痕(hen)的(de)(de)寬(kuan)度b來實現的(de)(de)，在不(bu)同的(de)(de)(增加的(de)(de))負(fu)載(zai)下在參考樣品(pin)的(de)(de)表面(mian)進(jin)行。對于給定載(zai)荷P，硬度H與(yu)劃痕(hen)寬(kuan)度b成反(fan)比，由下式可知(zhi)。理想(xiang)的(de)(de)金(jin)字塔尖需(xu)要單(dan)系數k進(jin)行校準。

盡管(guan)劃痕不能提供有(you)關(guan)彈性模量(liang)的(de)(de)(de)信息，但該方法(fa)有(you)其自身(shen)的(de)(de)(de)優點(dian)。與儀器壓痕法(fa)相比(bi)，劃痕硬度的(de)(de)(de)測定考(kao)慮了堆積效應，而對于薄而粗糙(cao)的(de)(de)(de)薄膜尤為重要的(de)(de)(de)是，它對粗糙(cao)度的(de)(de)(de)敏感性較低。

石(shi)英(實線(xian))和鋁(虛線(xian))殘(can)留劃(hua)痕槽的(de)截面(mian)剖面(mian)示例。箭頭表示在劃(hua)痕試驗期間(jian)壓頭和材料之間(jian)的(de)接觸面(mian)積的(de)寬度。

5.相對硬(ying)度(du)測試

6.用變載荷劃痕試驗(yan)測量(liang)材料和薄膜的機械性能(neng)(硬(ying)度、附著(zhu)力、厚(hou)度)

薄(bo)膜(mo)(mo)被廣(guang)泛用于(yu)各種對象(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)保護和(he)耐(nai)磨涂層。在不受襯底(di)影響的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況下，準確地測(ce)量這(zhe)些薄(bo)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力學性(xing)(xing)能(neng)是(shi)現代(dai)質量控(kong)制系統中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一項重要任務。NIOS納米機(ji)械測(ce)試機(ji)允許用不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)(fa)測(ce)量不同(tong)厚度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)薄(bo)膜(mo)(mo)硬度(du)。儀器(qi)壓(ya)痕(hen)法(fa)(fa)是(shi)測(ce)量薄(bo)膜(mo)(mo)物(wu)理和(he)機(ji)械性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)常(chang)用方法(fa)(fa)。然而，有(you)(you)幾個因素導致了這(zhe)種測(ce)量方法(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)誤差。關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)表面粗(cu)糙度(du)、殘余應力和(he)所謂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)材效(xiao)應(對于(yu)膜(mo)(mo)-基(ji)材系統，材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)響應既取決于(yu)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)，也取決于(yu)基(ji)材的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng))。在納米尺度(du)上(shang)，劃(hua)(hua)痕(hen)測(ce)試法(fa)(fa)(劃(hua)(hua)痕(hen)和(he)劃(hua)(hua)痕(hen)輪(lun)廓分析(xi))比壓(ya)痕(hen)測(ce)試法(fa)(fa)有(you)(you)幾個優點。直接用SPM方法(fa)(fa)觀(guan)察殘余劃(hua)(hua)痕(hen)，可以將(jiang)壓(ya)痕(hen)方法(fa)(fa)中(zhong)典型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要彈(dan)性(xing)(xing)變形的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響降到zui低。可變載荷下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)劃(hua)(hua)痕(hen)使(shi)得在一個測(ce)量過程中(zhong)定義幾個薄(bo)膜(mo)(mo)參數(shu)成為可能(neng):彈(dan)性(xing)(xing)相(xiang)互作用區(qu)域、開始(shi)塑性(xing)(xing)變形的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)極限載荷(表面上(shang)有(you)(you)可見的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)痕(hen)跡(ji))、薄(bo)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分離和(he)分層。

在硅基板上(shang)的類金剛石薄(bo)膜表面上(shang)對負(fu)載(zai)進行線(xian)性(xing)縮放的劃痕

7.用力譜測量彈(dan)性模量

NIOS納(na)米(mi)力學測試儀能夠(gou)測量(liang)彈性模量(liang)的定量(liang)值(zhi)。該方法涉及探頭傳感(gan)器(qi)隨載(zai)荷同(tong)時(shi)振(zhen)動。振(zhen)蕩振(zhen)幅小于10nm，頻率約(yue)為(wei)10khz。金剛石壓頭接觸表面時(shi)，頻率隨載(zai)荷的增加而增加。

根據(ju)赫茲模(mo)型的(de)解析描述，頻率隨探頭位移的(de)斜率(接近-收縮曲線)與(yu)材料的(de)彈(dan)性模(mo)量成(cheng)正比。

在(zai)測試(shi)之(zhi)前，該裝(zhuang)置在(zai)具(ju)有已知(zhi)彈(dan)(dan)性(xing)模量的(de)基準(zhun)材料上(shang)進行校準(zhun)。所(suo)得到的(de)彈(dan)(dan)性(xing)模量值(zhi)以縮進曲(qu)線斜率與參考彈(dan)(dan)性(xing)模量的(de)比例(li)來(lai)評估。這種方法(fa)是無損的(de)。

參與測試的材(cai)料層可以小(xiao)到100nm。這使得(de)在不(bu)受襯底影(ying)響(xiang)的情(qing)況下(xia)測量(liang)薄膜彈(dan)(dan)性模量(liang)成為可能(neng)。通過(guo)對不(bu)同材(cai)料的比(bi)較(jiao)測量(liang)，發現彈(dan)(dan)性模量(liang)在較(jiao)大范圍(wei)內具(ju)有較(jiao)高的精度。

接近收縮曲線測量方案(a);Δf曲線的(de)(de)斜率特征材料的(de)(de)彈性(xing)模(mo)量(b)。

8.耐磨性(xing)測量

涂層的(de)耐(nai)磨性測(ce)試在NIOS裝置中進行(xing)。測(ce)試原理是在給定壓頭運動(dong)的(de)基礎上，保持(chi)恒定的(de)正常載荷，并記錄壓頭的(de)正常位移(yi)。由(you)于(yu)材料磨損，壓頭內部會加深。一段時間后壓頭會破壞涂層并到達基材，如圖所(suo)示的(de)斜率變化所(suo)示。

在使用(yong)(yong)標準三角形(xing)針尖時(shi)，考(kao)慮到壓(ya)頭不(bu)(bu)對稱，壓(ya)頭按“正方形(xing)”路徑移動。采用(yong)(yong)不(bu)(bu)同材質的球形(xing)壓(ya)頭時(shi)，可以實現(xian)壓(ya)頭的往復運動。

錐體di-amond壓(ya)頭的“方(fang)形(xing)”試驗(a);球面藍寶石壓(ya)頭磨損測試結果(b)。疊加圖(tu)形(xing)軸(zhou)標(biao)簽(qian):橫軸(zhou)T表示時間，以秒為單位(wei)，縱軸(zhou)Z表示平(ping)均(jun)穿透試樣表面。

9.同時繪制表面形(xing)貌和力學性能分布

半接觸表(biao)(biao)面掃(sao)描(miao)和準靜(jing)態(tai)力學測試是NIOS掃(sao)描(miao)納米機械(xie)測試機的兩(liang)種基本選擇。測量頭(使用(yong)在(zai)自(zi)振蕩電(dian)路中工作的壓電(dian)陶瓷探頭)不(bu)僅可以同(tong)時測量表(biao)(biao)面形(xing)貌，還可以表(biao)(biao)征其機械(xie)性能。

這樣的附加信息，可(ke)以記錄在(zai)任何表(biao)面掃(sao)描提供(gong)快速(su)的機械表(biao)征。在(zai)XY平面上(shang)分(fen)辨(bian)率約(yue)為10nm，在(zai)z軸上(shang)分(fen)辨(bian)率約(yue)為1nm。

復(fu)合碳纖維。表(biao)面形(xing)貌(a);剛度映射(b)

10.動(dong)態硬度測量(liang)

在NIOS設(she)備(bei)中實現了(le)動(dong)態硬(ying)度(du)測量。該方法基于壓頭(tou)擺(bai)動(dong)和直接(jie)運動(dong)的同時(shi)處理。與準靜(jing)態納米壓痕法相比，該方法對表面粗糙度(du)的影響較小(xiao)。然而(er)，它(ta)需要關(guan)于彈(dan)性模量的信息。用(yong)于此類測量的公式如(ru)下:

F和ΔF -力和共振(zhen)頻(pin)率的(de)轉變(bian),都是(shi)(shi)(shi)在掃描測量(liang),f0, k -探測共振(zhen)頻(pin)率和動(dong)態剛(gang)度。后(hou)兩(liang)個參數是(shi)(shi)(shi)在校準過程(cheng)中確定的(de)，在以后(hou)的(de)測量(liang)中被認為是(shi)(shi)(shi)不變(bian)的(de)。這個方程(cheng)導致H/E2確定(H或E的(de)值，如果另一個是(shi)(shi)(shi)已知的(de))作(zuo)為深度或表面坐標的(de)函(han)數。

硬玻璃(li)纖維在(zai)軟基體中(zhong)的硬度(du)圖(a)和熔(rong)融石英硬度(du)與深(shen)度(du)(b)。在(zai)這兩種(zhong)情況(kuang)下，彈性模量取自(zi)其他來源。

11.表(biao)面(mian)輪廓與機械測(ce)試模塊

掃描式納米機械測試儀和寬量程壓頭模塊可以實現表面輪廓的測量。相應的zui大測量長度可達10mm和100mm。標準壓痕頂端(Berkovich金字塔)的zui大可測量斜率是10度，可選擇的頂端(duan)。水平(ping)分辨率取決于所使用的模塊的類型、掃描速度和水平(ping)方(fang)(fang)向上的限制(zhi)為10nm，垂(chui)直(zhi)方(fang)(fang)向上的限制(zhi)為10nm。所有剖面(mian)都是在(zai)半接觸掃描模式(shi)下獲得的。

A套筒(A)和相(xiang)應的(de)圓柱面輪廓(b)。

12.機械(xie)納米(mi)光刻(ke)

NIOS設備為精密機械微(wei)加工和納(na)米(mi)(mi)蝕刻提(ti)供了樣品(pin)機會。金(jin)剛石刀(dao)尖可(ke)以(yi)切(qie)割幾(ji)乎所有已(yi)知材料。通過(guo)在10 pN分辨率的(de)切(qie)割過(guo)程中控(kong)制負載，可(ke)以(yi)穩定地(di)得到100納(na)米(mi)(mi)寬度(du)和幾(ji)納(na)米(mi)(mi)深(shen)度(du)的(de)劃痕。zui大劃痕深(shen)度(du)可(ke)達數(shu)微(wei)米(mi)(mi)。

通過使用高精度壓電陶瓷納米孔和機械線性平移級，金剛石頂端定位精(jing)度在100 x 100 pm區域達到(dao)10 nm，在100 x 100 mm區域達到(dao)約1 pm。

表面微處理的結果可由同一金剛石頂(ding)端(duan)通過(guo)SPM模(mo)式掃描或(huo)通過(guo)數字光學顯微(wei)鏡來控制。

機械納米蝕(shi)刻模(mo)式可用(yong)于在(zai)表(biao)面創建規則結構，去除(chu)氧化膜，在(zai)選定(ding)區域(yu)清潔涂層(ceng)和調整微電(dian)子和微機械系統(MEMS)元件的(de)幾(ji)何形狀。

從金剛石基板上去(qu)除的金色涂層(ceng)(a);在(zai)熔融(rong)石英表面刻劃的銘(ming)文;概要文件(b)。

13.微機械剛度(du)測量

NIOS設備能夠控制不同(tong)對象(xiang)的剛(gang)度:切(qie)削工(gong)具(ju)、光(guang)束(shu)、MEMS和(he)(he)NEMS光(guang)束(shu)和(he)(he)膜。數值(zhi)根據力(li)-位移圖計算，即與(yu)儀(yi)器壓痕分析(xi)中使用的曲線相同(tong)。不同(tong)的加載(zai)(zai)模式是可能的，包括(kuo)多(duo)加載(zai)(zai)-卸載(zai)(zai)模式，這(zhe)允許得到平均(jun)剛(gang)度值(zhi)以(yi)及確(que)定破(po)壞的循(xun)環次數。

NIOS系統允許通過原位(wei)SPM預掃描(掃描納米機械測(ce)試(shi)模塊)或借助光(guang)學顯(xian)微鏡來確定(ding)測(ce)量位(wei)置，該光(guang)學顯(xian)微鏡與(yu)寬量程壓頭模塊一起工作。

刀具剛度測(ce)量(liang)(a)、膜(mo)特性(xing)測(ce)量(liang)方案(b)、加卸載曲線(c): 1 -膜(mo)彎曲(剛度測(ce)量(liang));2 -與基板接觸。

14.表面電性能測量

摻雜硼的金剛石頂端可以進行(xing)電(dian)(dian)學性能分析:測(ce)量(liang)樣品的(de)(de)電(dian)(dian)阻率(lv)，表(biao)面掃描或(huo)壓(ya)痕期間(jian)的(de)(de)電(dian)(dian)流擴展。用給定的(de)(de)負載或(huo)穿透深度測(ce)量(liang)伏安特性也是可能的(de)(de)。利用端部與試樣之間(jian)的(de)(de)恒(heng)壓(ya)偏壓(ya)測(ce)量(liang)電(dian)(dian)流擴展圖(tu)。通過(guo)測(ce)量(liang)不同表(biao)面位(wei)置(zhi)的(de)(de)電(dian)(dian)流擴散，可以確定具有(you)不同導電(dian)(dian)性的(de)(de)位(wei)置(zhi)，并將其與表(biao)面結構和夾雜物進行(xing)比較(jiao)。

通過測量壓(ya)痕(hen)過程中電流(liu)的(de)(de)擴散，可以研究材(cai)料沿深度(du)的(de)(de)非(fei)均勻性，控制涂層厚度(du)，研究半導體在壓(ya)力(li)下的(de)(de)相變(bian)。同(tong)時處理力(li)和電流(liu)與(yu)深度(du)的(de)(de)相關性，可以計算特定的(de)(de)電阻率(lv)。在與(yu)材(cai)料接觸(chu)時，用0.1 mN到(dao)100 mN的(de)(de)力(li)進行(xing)伏安特性的(de)(de)測量。電壓(ya)范圍為±10V，電流(liu)范圍為±30mol / l，電流(liu)測量分辨率(lv)優于10pa。

AlCuCo合(he)金(jin)的表(biao)面組織。電(dian)導率圖(a)。不(bu)同顏色的區域對應著合(he)金(jin)的不(bu)同晶體結構。電(dian)子顯(xian)微鏡圖像(b)。

15.裂縫阻(zu)力測(ce)量

常(chang)用(yong)應力(li)臨界系(xi)數強度Kc -斷裂(lie)(lie)韌性來衡(heng)量材(cai)料的抗(kang)脆斷裂(lie)(lie)能力(li)。斷裂(lie)(lie)韌性是表征涂層耐磨性的重(zhong)要參數之一。常(chang)用(yong)的脆性研究方法(fa)是將壓頭推入材(cai)料中進(jin)行破壞，得到不同尺寸(cun)的裂(lie)(lie)縫。

材(cai)(cai)料機架阻力可以通過刮(gua)擦來(lai)定(ding)義(yi)。在這(zhe)種(zhong)情況(kuang)下，Kc值與臨(lin)界劃痕(hen)(hen)(hen)寬度相連(lian)。達(da)到此寬度后，彈性(xing)變(bian)形(xing)轉變(bian)為脆性(xing)變(bian)形(xing)。利(li)用(yong)應用(yong)載荷值和(he)裂(lie)縫長度計算Kc的(de)(de)方法(fa)有30多種(zhong)。確定(ding)薄涂(tu)層Kc的(de)(de)方法(fa)正在進行(xing)深(shen)入的(de)(de)研究。當壓(ya)痕(hen)(hen)(hen)深(shen)度較小時，壓(ya)痕(hen)(hen)(hen)沿壓(ya)痕(hen)(hen)(hen)的(de)(de)肋部產生徑向或半便士的(de)(de)裂(lie)紋，隨著載荷的(de)(de)增加，涂(tu)層從基材(cai)(cai)上脫(tuo)落(luo)。管(guan)道裂(lie)紋導(dao)致基體(ti)的(de)(de)破壞和(he)螺旋裂(lie)紋的(de)(de)涂(tu)層脫(tuo)離基體(ti)。

NIOS器件(jian)有幾種(zhong)基(ji)于劃痕和儀器壓(ya)痕的薄(bo)涂層抗裂測量方法。

16.在納米(mi)尺度上支持線性(xing)尺寸測量

SPMs的(de)(de)計量(liang)(liang)特性和納(na)米(mi)(mi)尺度線(xian)性尺寸測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)計量(liang)(liang)支持對(dui)(dui)于技術和認證任務的(de)(de)設(she)備(bei)以及(ji)納(na)米(mi)(mi)產品的(de)(de)控制都(dou)是重要(yao)的(de)(de)。NIOS的(de)(de)干涉儀(yi)模塊(kuai)設(she)計為(wei)一個小(xiao)巧的(de)(de)插(cha)件式實(shi)時測(ce)量(liang)(liang)儀(yi)器(qi)(qi)。輻射(she)源為(wei)單(dan)頻(pin)穩定(ding)的(de)(de)He-Ne激(ji)光器(qi)(qi)(功率1 mW，波(bo)長(chang)632,991084 nm，在8小(xiao)時工作(zuo)時，光頻(pin)率的(de)(de)相對(dui)(dui)不穩定(ding)性不超過(guo)3x10-9)。

在(zai)PTB(德國)采用SPM校準(zhun)(zhun)的(de)線性(xing)測(ce)(ce)量(liang)TGZ1、TGZ2、TGZ3進行(xing)計(ji)量(liang)特(te)性(xing)檢驗(yan)。所有三個測(ce)(ce)量(liang)結果(guo)都(dou)包含在(zai)由PTB設備(bei)估計(ji)的(de)95%置信區(qu)間(jian)內。所獲得的(de)結果(guo)證明所設計(ji)的(de)器件(jian)是(shi)納(na)米尺度上(shang)的(de)線性(xing)尺寸測(ce)(ce)量(liang)標準(zhun)(zhun)，允許通過掃描探針顯微鏡方法支(zhi)持納(na)米結構(gou)的(de)線性(xing)尺寸測(ce)(ce)量(liang)的(de)可追溯性(xing)。

17.微觀(guan)物體的(de)機械(xie)測試

壓頭(tou)和樣(yang)品的(de)高精度相互定(ding)位以及使用不同(tong)幾何形狀的(de)壓頭(tou)可(ke)以實現NIOS設備中對微物體的(de)機(ji)械(xie)性能(neng)測試。特別地，有一種測定(ding)用LBL技術生產的(de)聚電(dian)解質微膠囊的(de)機(ji)械(xie)耐久(jiu)性的(de)方法，該方法基于在帶電(dian)基片上連續(xu)吸附多(duo)陽(yang)離子和多(duo)陰離子。

物體的(de)(de)特(te)征直(zhi)(zhi)徑可以從幾微(wei)米到數百微(wei)米。物體的(de)(de)精(jing)確幾何形狀是用光學顯(xian)微(wei)鏡確定(ding)的(de)(de)。尖咀采用鉆石(shi)平郵票，直(zhi)(zhi)徑定(ding)好。膠(jiao)囊破(po)壞發生后的(de)(de)載荷(he)(he)由(you)已(yi)登記的(de)(de)載荷(he)(he)-位移曲線確定(ding)。機械耐久性由(you)載荷(he)(he)與膠(jiao)囊直(zhi)(zhi)徑的(de)(de)比率來定(ding)義。

這種方法廣(guang)泛應用于生物(wu)物(wu)體，色粉中(zhong)使用的染料塊和顆粒磨料測(ce)試(shi)過程(cheng)中(zhong)。

用顯微(wei)鏡定位(wei)物體(ti)(a)，金剛石(shi)平壓孔機(ji)的(de)顯微(wei)照片(b)，膠囊壓縮時記錄的(de)載荷(he)與(yu)位(wei)移(yi)(c)。

18.力學(xue)性(xing)能分析

由于在特定的(de)(de)直線(xian)或(huo)區域(yu)進行一系列(lie)測量(liang)的(de)(de)自(zi)動(dong)化，NIOS裝置實現了(le)機(ji)械性(xing)能的(de)(de)映射和剖面分析方法。

該(gai)方(fang)法對于研究具有(you)(you)非(fei)均勻力學性(xing)能的物(wu)體具有(you)(you)重要意義。例如，一(yi)個高爾(er)夫球由一(yi)個球芯(xin)和(he)幾個層組成，這些(xie)層具有(you)(you)不同(tong)的屬(shu)性(xing)，厚(hou)度從(cong)微(wei)米到毫米不等。測(ce)量可(ke)以在露(lu)天(tian)和(he)液體中進(jin)行。

NIOS軟(ruan)件允許(xu)自動測量(liang)，剖面和(he)測繪硬(ying)度和(he)彈性模量(liang)分(fen)布在(zai)幾十微米(mi)到100毫米(mi)的(de)區(qu)域(yu)，特定(ding)的(de)步(bu)驟(zou)之間的(de)點(dian)。

高爾夫球中不(bu)同層的屬性

19.維(wei)氏(shi)顯微硬(ying)度測量

根據ISO 6507標準，NIOS納米機械測試提(ti)供了對殘(can)余縮進(jin)圖(tu)像的顯微(wei)硬(ying)度(du)測量。常用的顯微(wei)硬(ying)度(du)計采用這種方法(fa)。

四邊維(wei)氏錐體用作壓頭(對邊之間的角度(du)為136度(du))。測量(liang)采用光學微圖像。

d—四邊形壓印的中等長度(mm)， P—zui大載(zai)荷(kgf)。

維氏(shi)硬度是一種常用的硬度測(ce)量方法。這種方法與(yu)其他納米(mi)硬度測(ce)量方法的結合允許(xu)比較和(he)定義不(bu)同(tong)尺度的硬度。

壓印(yin)以標準(zhun)硬度測量。負載(zai)是200 g。硬度為270 HV 0.2。

20.機械性能隨(sui)溫度(du)變化的(de)測量

帶加熱控制的加熱臺用于高溫下材料力學性能的測量。加熱階段允許將樣品加熱到400℃，并進行NIOS中實現的所有類型的機械測試。保持給定溫度的精確度為1℃。
測(ce)試結果包括在特定溫度下的(de)硬(ying)度、彈性(xing)模(mo)量、蠕變恢復(fu)、抗裂(lie)性(xing)、耐磨性(xing)和(he)其他特性(xing)。

NIOS中用于(yu)溫度測試的典(dian)型(xing)樣品尺寸為25x25x10毫米(mi)。

21.動(dong)態測量分(fen)析

NIOS通過動態力學分析支持力學性能的測量。

該方(fang)法將振蕩力施加在線性增加的載荷上(shang)，并(bing)施加在表面(mian)上(shang)，同(tong)時測量(liang)相(xiang)應(ying)的同(tong)相(xiang)分量(liang)和相(xiang)位偏差(cha)90度分量(liang)。

得到(dao)的數據用于計(ji)算(suan)信號的實(shi)部和虛部，進而(er)用于計(ji)算(suan)存儲和損耗彈性模量E '和E '。也(ye)計(ji)算(suan)了(le)硬(ying)度值。

所支持的頻率(lv)范(fan)圍可達50hz，無分析振蕩可執行至250hz。

熔融石(shi)英(a)彈(dan)性(xing)模(mo)量(liang)E'和損失模(mo)量(liang)E"的測量(liang)瀝青(b)

20.機(ji)械性能隨溫度變(bian)化的(de)測量

帶加熱控制的加熱臺用于高溫下材料力學性能的測量。加熱階段允許將樣品加熱到400℃，并進行NIOS中實現的所有類型的機械測試。保持給定溫度的精確度為1℃。
測試結果包括在特定度(du)下的硬度(du)、彈性(xing)模量、蠕變恢復、抗裂性(xing)、耐磨性(xing)和其他(ta)特性(xing)。

NIOS中用于溫(wen)度測(ce)試的典型樣品尺(chi)寸(cun)為25x25x10毫米。