Атомно-силовая микроскопия in-situ структурирования при деформировании нанопленочных материалов

Цель исследования. Разработать, изготовить устройство на основе пьезоактюатора для механического деформирования образцов в процессе атомно-силовых микроскопических исследований и изучить эволюцию наноструктурированных поверхностей на опытных и модельных образцах.

Методы. Измерения перемещения пьезоактюатора емкостным методом; исследование поверхности на конфокальном микроскопе; формирование исследуемых пленок методом магнетронного распыления; исследования топографии поверхности образцов на атомно-силовом микроскопе.

Результаты. Изготовлена тестовая модель устройства, встроенного в атомно-силовом микроскопе, для изучения деформирования (сжатия) образцов с помощью пьезоактюатора. Тестирование возможностей устройства проведено с помощью конфокального микроскопа. Достигнуто пространственное разрешение устройства, составившее D±∆D = (1,071±0,160) мкм (точность 15 %), что позволило обнаружить деформацию поверхности закрепленного образца. С учетом самой высокой среди металлов температуры перехода в сверхпроводящее состояние обоснован выбор ниобия в качестве материала для исследования структурных изменений при сжатии магнетронной наноплёнки на подложке в виде металлической пластины, обладающей высокими упругими свойствами, характерной для держателя сенсорной головки HDD. Исследованиями в режиме in situ сжатия магнетронной нанопленки из ниобия на атомно-силовом микроскопе установлены и описаны наноразмерные изменения структуры поверхности ниобиевой нанопленки под воздействием пьезоактюатора.

Заключение. Проведенные испытания в условиях линейного и контролируемого деформирования, совмещенного с микро- и наноструктурными исследованиями в режиме in situ методом атомно-силовой микроскопии, выявили структурные изменения поверхности магнетронной наноплёнки из ниобия, что свидетельствует о включении механизма поверхностного агрегирования нанокластеров, образующих пленку, при выполнении условия (E_сж + E_кл)/E_ад  1. 

1. Stachiv I., Alarcon E., Lamac M. Shape memory alloys and polymers for MEMS/NEMS Applications: review on recent findings and challenges in design, preparation, and characterization // Metals. 2021. Vol. 11. P. 415.

2. Tambe S., Bhushan B. In situ study of nano-cracking in multilayered magnetic tapes under monotonic and fatigue loading using an AFM Nikhil // Ultramicroscopy. 2004. Vol. 100. P. 359–373.

3. Adhesion and friction in polymer films on solid substrates: conformal sites analysis and corresponding surface measurements / An. R. Huang, L. Mineart, K. P. Dong, Y. Spontak, R. J. Gubbins // Soft Matter. 2017. Vol. 13. P. 3492−3505.

4. Braun O. M., Naumovets A. G. Nanotribology microscopic mechanisms of friction // Surf. Sci. Rep. 2006. Vol. 60. P. 79−158.

5. Déprés C. F. R. & M. C. F. C. Low-strain fatigue in 316L steel surface grains: a three dimension discrete dislocation dynamics modelling of the early cycles persistent slip markings and micro-crack nucleation little // Philos. Mag. 2006. Vol. 86. P. 79–97.

6. Development of fatigue testing system for in-situ observation of stainless steel 316 by HSAFM & SEM / A. F. Payam, O. Payton, L. Picco, S. Moore, T. Martin, A. D. Warren, M. Mostafavi & D. Knowles // International Journal of Fatigue. 2019.Vol. 127. P. 1–9.

7. Plastic deformation of spherulitic semi-crystalline polymers: An in situ AFM study of polybutene under tensile drawing / C. Thomas, R. Seguela, F. Detrez, V. Miri, C. Vanmansart // Polymer. 2009. Vol. 50. P. 3714−3723.

8. Micromechanical deformation and recovery processes of nylon-6 rubber thermoplastic vulcanizates as studied by atomic force microscopy and transmission electron microscopy / J. Oderkerk, G. de Schaetzen, B. Goderis, L. Hellemans, and G. Groeninckx // Macromolecules. 2002. Vol. 35. P. 6623–6629.

9. Strong increase of T Sr2RuO4 under both tensile and compressive strain / W. Hicks, D. O. Brodsky, E. A. Yelland, A. S. Gibbs, J. A. N. Bruin, M. E. Barber, S. D. Edkins, K. Nishimura, S. Yonezawa, Y. Maeno and A. P. Mackenzie // Science. 2014. Vol. 344. P. 283– 285.

10. Higher-T c superconducting phase in Sr2RuO4 induced by in-plane uniaxial pressure / H. Taniguchi, K. Nishimura, S. K. Goh, S. Yonezawa, Y. Maeno // J. Phys. Soc. Jpn. 2015. Vol. 84. P. 153–181.

11. Булыгин Ф. В., Прилепко М. Ю. Калибровка датчиков переменных сил деформационным методом // Измерительная техника. 2019. № 6. C. 15–19.

12. A novel approach for realization of primary vibration calibration standard by homodyne laser interferometer in frequency range of 0.1 Hz to 20 kHz / N. Garg, O. Sharma, A. Kumar, M. Schiefer // Measurement. 2012. Vol. 45, no. 8. Р. 1941–1950.

13. Магнетронные одно- и мультислойные нанопленки из Nb, C и Si / А. П. Кузьменко, Тант Син Вин, Мьо Мин Тан, Нау Динт // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 4. С. 30–52.

14. Study of Niobium Thin Films under Pressure / G. Prista, S. Gabáni, M. Orendac, V. Komanicky, E. Gazo // Acta Physica Polonica A. 2014. Vol. 126. P. 346 – 347.

15. Correlation between stoichiometry of NbxNy coatings produced by DC magnetron sputtering with electrical conductivity and the hall coefficient / G. F. Angélica, A. C. Harvi, E. R. Daniel, R. P. Elisabeth, Wencel C. // Coating. 2019. Vol. 196. P. 1–10.

16. Influence of fatigue and bending strain on critical currents of niobium superconducting flexible cables containing Ti and Cu interfacial layers / S. Zou, R. Bai, G. A. Hernandez, V. Gupta, Y. Cao, J. A. Sellers, C. D. Ellis, M. C. Hamilton // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Vol. 27, no. 4. 2017. Р. 6000605(5).

17. Investigation of NbN and Nb–Si–N coatings deposited by magnetron sputtering / V. I. Ivashchenko, P. L. Scrynskyy, O. S. Lytvyn, V. M. Rogoz, O. V. Sobol, A. P. Kuzmenko, H. Komsta, C. Karvat // Acta physica polonica A. 2015. Vol. 128, no. 5. P. 949–952.

18. Optical properties and residual stress in Nb-Si composite films prepared by magnetron sputtering / J. T. Chien, A. P. Glen, C. J. Cheng, M. T. Fang // Optical Society of America. 2015. Vol. 54, no. 4. P. 959–965.

19. Higher-Tc superconducting phase in Sr2RuO4 induced by in-plane uniaxial pressure / H. Taniguchi, K. Nishimura, S. K. Goh, S. Yonezawa, Y. Maeno // J. Phys. Soc. Jpn. 2015. Vol. 84. P. 153–181.

20. Наноразмерная характеризация металлических магнетронных нанопленочных мультислоев из Cr, Cu, Al, Ni на ситалле / A. П. Кузьменко, Нау Динт, А. Е. Кузько, Мьо Мин Тан, Тант Син Вин, А. И. Колпаков // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19, № 3. C. 195–203.

21. Ab initio calculations of aluminium clustering on aluminium surfaces / A. P. Kuz’menko, N. A. Khokhlov, K. K. Lin, M. T. Myo, A. S. Petrov // Journal of Physics: Conf. Series. 2020. Vol. 1455. P. 012001-1 – 012001-5.