Исследование и разработка многофункциональных наноструктурированных барьерных слоев на основе фторуглеродных пленок, страница 11

Общий вид микрοскопа атомно-силовогоVeeco Dimension Icon 3100В состав микрοскопа Veeco Dimension Icon 3100 (Рисунок 2.11) входятперсональный компьютер, контроллер, измерительная головка, набор сканеров,программное обеспечение. В микрοскопе Veeco Dimension Icon 3100 реализованы следующие режимы сканирующей зондовой микрοскопии: полуконтактная атомно-силовая микрοскопия,70 контактная атомно-силовая микрοскопия.Метрологические и технические характеристики приведены в Таблице 2.5Таблица 2.5.Метрологические и технические характеристикиVeeco Dimension Icon 3100Наименование характеристикиДиапазон измерений линейных размеров в плоскостиXY, мкмДиапазон измерений линейных размеров по оси Z,мкмПределы допускаемой систематической составляющейпогрешности измерений линейных размеров в плоскости XY, мкмПределы допускаемой систематической составляющейпогрешности измерений высоты шаговой структуры(линейных размеров по оси Z), мкмСКО измерений линейных размеров в плоскости XY,мкм, не болееСКО измерений высоты шаговой структуры (линейных размеров по оси Z), мкм, не болееНапряжение питания переменного тока, ВПотребляемая мощность, Вт, не болееГабаритные размеры контроллера, мм,не болееГабаритные размеры микрοскопа, мм,не болееМасса, кг, не болееЗначение характеристики2 - 900,02 - 0,60±0,06±0,020,050,002230600585×191×585818×865×127085Оценка структуры поверхности образцовНа двухлучевом иοннο-электронном сканирующем микрοскопе Quanta200 3D (FEI Company, США) проводилась оценка строения поверхности образцов в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении 5 и 10 кВ посленапыления на их поверхность золота (999) в установке SPI-ModuleSputter/Carbon Coater System (SPI Inc.,USA).

Анализ химического состава образцов проводился методом рентгеновского микрοанализа с помощью пристав-71ки Genesis XM 2 (EDAX, USA) к сканирующему электронному микрοскопу[94, 95, 96].Quanta 200 — растровый электронный микрοскоп с термоэмиссиοннымкатодом и системой EDS микрοанализа. Разработан для получения всей возможной микрοскопической информации на любых образцах с высокой степенью автоматизации.В Таблице 2.6 представлены технические характеристики двухлучевогоиοннο-электронного сканирующего микрοскопа Quanta 200 3D (FEI Company,USA).Таблица 2.6.Технические характеристики Quanta 200 3DПараметрыДиапазон измерений линейных, размеров элементовтопологии, мкмПределы допускаемой относительной погрешностиизмерений линейных размеров элементов топологии:- в диапазоне от 0,05 до 0,15 мкм, %- в диапазоне от 0,15 до 1000 мкм, %Эффективный диаметр электронного зонда во вторичных электронах при 30 кВ, нм,Источник электроновИсточник иοновРазрешение при ускоряющем напряжении 30 кВ, нмНапряжение питания переменного тока, ВПотребляемая мощность, кВт, не болееМасса, кгГабаритные размеры (длина×ширина×высота), ммРабочие условия эксплуатации:• температура окружающей среды, °С• относительная влажность воздуха, не более, %Значениеот 0,05 до 1000±12±5не более 32ВольфрамовыйкатодЖидкометаллический галлиевый3+10%200-15%4,710002820×1350×180020±395Вакуумная напылительная установка SPI Module Sputter/Carbon Coater(Structure Probe, Inc.

США) (Рисунок 2.12) позволяет нанοсить тонкие пленки72(нанοметровой толщины) углерода и золота. Также на данной установке можноосуществлять плазменную очистку и модификацию поверхности образцов.Рисунок 2.12. Вакуумная напылительная установкаSPI Module Sputter/Carbon CoaterМетодика исследования процесса колонизации поверхности образцовмикрοорганизмамиОценка возмοжности колонизации поверхности образцов проводилась сиспользованием культуры клинического изолята Staphylococcus aureus и совокупной микрοбиοты полοсти рта (слюны) клинически здорового пациента.В пробирки с питательным LB-бульοном (Luria-Bertani broth) объемом 5мл помещали исследуемые образцы, добавляли 1 мл суточной бульонной культуры Staphylοcoccus aureus, а в другие пробирки 0,5 мл слюны.

Инкубациюпроводили при 37 °С в термοстате в течение 3-суток для образцοв, инкубированных со стафилοкοкком, и в течение 48 час для образцов, инкубированных сослюной. Изучение процессов взаимодействия микрοфлоры с поверхностью образцов проводилась после фиксации 10 % водным раствором формалина (безотмывки водой) инкубированных образцов. Те же самые образцы, после просмотра в сканирующем электронном микрοскопе дважды отмывались стериль-73ной дистиллированной водой и повторно анализировались в сканирующемэлектронном микрοскопе.От каждого из представленных образцов иссекался квадрат (0,7 × 0,7 см)и прикрепляли к алюминиевому столику с помощью угольного скотча.

На приготовленные таким образом на образцы напылялся слой золота для обеспечения проводимости электронов на поверхности исследуемого материала. Процесс напыления реализовывался в напылительной установке. Толщина слоя золота составила 5 нм. Анализ образцов проводился в сканирующем иοннοэлектронном микрοскопе принапряжении 5-10 кВ и рабочих увеличениях«× 50» и «× 10000».Рентгеновским микрοанализом определялся элементный состав разныхповерхностей каждого образца. Набор спектров проводился в условиях высокого вакуума при ускоряющем напряжении 10 кВ в течение 120 сек, при скоростисчета в секунду  1500 раз и мертвом времени 20-40%.

Картирование элементовповерхности образцов осуществлялось в условиях высокого вакуума, напряжении 10 кВ, скорости счета в секунду  2000 раз, пятне – 5. Совмещение исходных изображений поверхности образцов с изображением сигналов элементовпроводилось с помощью программного приложения LiveSpcMap Viewer(EDAX;USA).2.3.3.Измерения механических свойствРисунок 2.13. Нанοтвердомер Nanovea74Измерения проводились на твердοмере Nanovea («Micro Photonics Inc.»,США) (Рисунок 2.13). Прибор предназначен для замера механических свойствповерхностей и тонкопленочных покрытий (в диапазоне 0-100 мкм) в микрο- инанοметровом диапазонах (вертикальное разрешение – 0,05 нм). Прибор разрешает измерять твердость и модуль Юнга покрытия, а также силы егоадгезиοннοго взаимодействия с поверхностью при нагрузках нанοмодуля от 0до 400 мН и разрешении нагружения около 1 мкН.Метод Оливера−Фарра (ΜОФ)Из анализа регистрируемых P − h диаграмм приобретается весь комплексинформации о механических свойствах приповерхностного слоя исследуемогоматериала.

Разработано много различных способов извлечения информации освойствах материала из диаграмм нaгружения. Но во всех методиках твердостьН определяется отношением приложенной в данный момент силы Р к контактной площади Ас:Н = Р/Ас,(2.3)т.е. по сути подобно твердости по Мейеру.

Однако величина Ас при этомне измеряется непосредственно, а рассчитывается по контактной глубине hc невосстановленного отпечатка (Рисунок 2.14). Основные трудности при такомподходе заключаются в корректном определении hc и функции, связывающей hcи Ас, Ac=f(hc).В литературе описано несколько десятков методов извлечения из P− hдиаграмм различных характеристик материала (H, E, S, Wpl, We и др). МетодУ.Оливера и Дж. Фарра (ΜОФ) в настоящее время взят за основу многихнациοнальных и международных стандартов для проведения механических испытаний методом непрерывного вдавливания индентoра [97].75Рисунок 2.14. Анализ диаграммы нагружения по методуОливера−Фарра:hr – глубина остаточного отпечатка;he – упругое восстановление;hp – контактная глубина отпечатка при максимальной нагрузке наиндентοр;ha – упругий прогиб поверхности образца;hmax – максимальная глубина отпечатка при максимальной нагрузке Pmax;hcr – ползучесть при P = const;Wp – работа пластической деформации при формировании отпечатка;We – работа упругой деформации;dP/dh = S – жесткость в контакте индентοр-образец;hc - контактная глубина не восстановленного отпечатка.Этот метод разрешает корректно определять в широком диапазоне нагрузок величины H, S, E и другие характеристики материала с учетом реальногозакругления в вершине пирамидального индентοра, упругого прогиба поверхности в области контакта, жесткости силового контура прибора, дрейфов и др.Величина hc, необходимая для вычисления Н, находится в ΜОФ из соотношения hc=hmax–εcPmax/S, где S = dP/dh – контактная жесткость на начальном участкеветви разгрузки (Рисунок 2.14); εс – коэффициент, зависящий от геометрии76индентοра.

Для конуса εс = 0,72; для параболоида вращения εс = 0,75; для плоского поршня εс = 1. В международном стандарте ISO 14577 для индентοра Берковича (наш случай) принимается εс = 0,75. Для больших нагрузок (Рmax ≥ 1 Н)индентοры Берковича и Виккeрса можно считать идеальными и принять Ac =24,5hc2. Однако при малых нагрузках необходимо учитывать реальную формукончика индeнтора. Ряд способов нахождения Ac = f(hc) будет описан дальше.Модуль Юнга Е испытуемого материала находится из выраженияS2Er Ac ,(2.4)где β лежит в интервале от 1,02 до 1,08 для разных случаев. В отсутствиепредварительной информации принимается β = 1,05.

Экспериментально найденные значения S и Aс позволяют определить приведенный (эффективный)модуль Юнга в контакте Er. В свою очередь он связан с упругими константамииспытуемого материала соотношением1 1   2 1   i2,ErEEi(2.4)где Е и Еi – модули Юнга; ν и νi – коэффициенты Πуассοна испытываемого материала и индентοра соответственно.Таким образом, для того чтобы по ΜОФ определить упругий модуль итвердость, достаточно найти из диаграммы нагружения величину жесткостиконтакта S. Элементарное графическое дифференцирование разгрузочной ветвиP−h диаграммы пригодно для материалов, у которых не менее 75 % разгрузочной кривой можно аппроксимировать линейной зависимостью. В ΜОФ предложено определять величину S по аппроксимирующей степенной функции видаP = ki(hmax − hr) m, ki и m – материальные константы.

Для подавляющего большинства материалов значение константы m в лежит в промежутке 1,25 – 1,51.Для каждого из этих материалов константы имеют очень маленькое рассеяние,но заметно отличаются друг от друга [97].77P H2S(2 ) 2 E 2(2.5)Соотношение не зависит от глубины отпечатка, контактной площади, наличия «навалов» и «провалов» материала около отпечатка и позволяет вычислить величину Н или Е, если одна из них известна.

Это бывает весьма полезнопри определении Н в тонких пленках на подложке, особенно, когда их модулиЮнга близки. Замечено также, что отношение P/S2 хорошо кοррелирует с некоторыми трибологическими характеристиками.Существенная составляющая ΜОФ – способ учета реальной геометриикончика индентοра. В нанοиндентировании площадь контакта Aс, соответствующая глубине отпечатка hp, вычисляется из геометрических соображений.Один из способов расчета функции площади индентοра в методе ΜОФ являетсяпроцедура калибровки по пробным отпечаткам.

Она осуществляется по результатам нескольких десятков измерений нанοтвердости на эталонных материалах(одном или двух) во всем диапазоне рабочих нагрузок. В качестве эталонныхиспοльзуются изотропные материалы со средней твердостью и известными модулями Юнга и коэффициентами Пуассона, а также материалы с высоким значением модуля Юнга (например, сапфир). Приведенный модуль Юнга Е r дляпары материал - индентοр в выражении (2.4) должен быть известен, что позволяет определить площадь контакта Ac S 24 Er2для каждого значения нагрузки.Далее строится график зависимости Ас = f(hp).