Quasi-kontinuierliche Steifigkeitsmessungen QCSM

Eine neue Methode zur tiefenaufgelösten Messung von Härte und E-Modul Quasi-kontinuierliche Steifigkeitsmessungen QCSM (Quasi Continuous Stiffness Module) Entwickelt von: ASMEC Advanced Surface Mechanics GmbH Für den Universellen Nanomechanischen Tester UNAT

Konventionelle Messung der Eindruckhärte Bei registrierenden Härtemessungen zur Bestimmung der Eindringhärte H IT nach DIN EN ISO 14577 wird die Kraft-Eindringtiefen-Kurve F(h) mit einer bestimmten Maximallast gemessen. Die Härte kann nur für die dabei erreichte maximale Tiefe angegeben werden. Ein Härteverlauf über der Tiefe lässt sich nur durch Messungen mit verschiedenen Kräften an verschiedenen Orten der Probe ermitteln. Dies ist aufwändig und erhöht die Zeit für Messungen und Auswertung beträchtlich. 50 40 Fused Silica Fit range of unloading curve S=(dF/dh) hmax Zur Berechnung von Härte H und reduziertem E-Modul E r wird die Kontaktfläche A c benötigt. Diese läßt sich nur aus der Kontakttiefe h c bestimmen. Force (mn) 30 20 10 Härte Reduzierter E-Modul H E r F A C 2 S A C 0 0.0 h 0 h 0.5 h Depth (µm) max C h S Kontakttiefe h C h max F S

Konventionelle Messung der Eindruckhärte Force (mn) 50 40 30 20 10 Fused Silica S=(dF/dh) hmax Fit range of unloading curve 0 0.0 h 0 h 0.5 h Depth (µm) max C h S ΔF Δh Die Kontakttiefe h c wiederum wird mit Hilfe eines Modells aus der Maximaltiefe und der Steifigkeit S des Kontaktes bei maximaler Last berechnet. Dies entspricht dem Tangentenanstieg an die Entlastungskurve (blaue Linie). Nur bei Vorhandensein einer Entlastungskurve kann daher für die entsprechende Tiefe Härte und E-Modul ermittelt werden. S df dh F h CSM / QCSM Verfahren Dagegen wird beim CSM oder QCSM Verfahren die Steifigkeit bereits während der Belastung aus Quotient von Kraft-Amplitude und Weg-Amplitude einer kleinen Schwingung berechnet.

CSM Methode von Nanoinstruments (Agilent) Continuous stiffness measurement Force Excitation force Nominal force Eine sinusförmige Schwingung wird dem Kraftsignal permanent überlagert. Die Oszillation wird direkt dem Schaft mit dem Indenter aufgeprägt und durch die Tauchspule erzeugt. Time Elastic Viscoelastic Signal Time Displacement Force Signal Time Displacement Force Viskoelastische Komponenten führen zur Phasenverschiebung zwischen Weg- und Kraftsignal

QCSM Methode von ASMEC Quasi continuous stiffness measurement Force Excitation force Nominal force Die sinusförmige Schwingung wird nur bei Haltezeiten von 1-4 s eingeschaltet bei denen die (mittlere) Kraft konstant gehalten wird. Die Daten der ersten 20% der Haltezeit werden nicht verwendet da dort das Kriechen am stärksten ist. Time Vorteile: - Das Ergebnis kann aus mehreren Schwingungen gemittelt werden und wird damit genauer. - Der Einfluss des Kriechens auf das Ergebnis wird deutlich reduziert. - Die zugehörigen Kraftwerte können genau angegeben werden.

Theorie S F h 1 cos K m 1 2 S f 1 Ersatzschaltbild S Contact stiffness ΔF Force amplitude Δh Displacement amplitude S f Instrument stiffness ω Angular frequency m Mass of the measuring head K Damping coefficient Storage modulus Loss modulus E ' E '' E cos E sin E E-Modul δ Phasenverschiebung

Prinzip ASMEC Messkopf Bedingungen ohne Oberflächenkontakt Piezo Vibration wird durch den Piezo erzeugt Äußerer Rahmen Innerer Rahmen Vibration wird am Weg-LVDT gemessen Bei geringen Frequenzen wird kein Kraftsignal gemessen, wenn kein Oberflächenkontakt existiert. Bei höheren Frequenzen kommt es durch die träge Masse zu einem leichten Mitschwingen des Schaftes und ein Kraftsignal wird auch ohne Kontakt zur Oberfläche messbar.

Prinzip ASMEC Messkopf Bedingungen mit Oberflächenkontakt Piezo Vibration wird durch den Piezo erzeugt Äußerer Rahmen Innerer Rahmen Vibration wird am Kraft-LVDT gemessen Nach Oberflächenkontakt wird der Hauptteil des Signals am Kraftsensor messbar. Auch der Wegsensor liefert ein Schwingungssignal, jedoch deutlich kleiner. Die Größe des Signals hängt von der Steife der Probe bzw. des Probenkontaktes ab.

Die Höhe und die Form des Kraft- und Wegsignals mit Schwingung kann in der Oszilloscope-Funktion des Bedienersoftware geprüft werden (Tools Menü). Die Datenrate beträgt über 1 khz.

Beispiel: Stahl, gemessen mit Berkovich Indenter bei 500mN 500 500 450 Force-Displacement Force-Displacement 400 490 Normal Force (mn) 350 300 250 200 150 100 50 Normal Force (mn) 480 470 460 450 20nm 50mN 0 0.00 0.50 1.00 1.50 Normal Displacement (µm) 2.00 2.105 2.110 2.115 2.120 2.125 Normal Displacement (µm) 2.130 Die hohe Steifigkeit (Anstieg der Entlastungskurve) führt dazu, dass des Wegsignal der Schwingung sehr klein ist (Variation des Weges über der Kraft). Die Spannungs-Amplitude am Piezo ist so zu wählen, dass das Wegsignal der Schwingung ausreichend groß für genaue Messungen ist, z.b. zwischen 6 30 nm. Größere Amplituden können für weiche Materialien und größere Tiefen verwendet werden.

Bedieneroberfläche Die Haltezeit pro Messpunkt wird als Dwell-Zeit definiert und beträgt typischerweise 3s. Messpunkte mit eingeschalteter Schwingung werden im Definitionsfenster mit grünen Fehlerbalken dargestellt.

Für eine genaue Berechnung der Kontaktsteifigkeit muss die Frequenz der Vibration ausreichend weit von der Resonanzfrequenz des Messkopfes entfernt sein. Daher sind für die meisten Anwendungen nur Frequenzen bis 20Hz empfohlen. Die Elektronik kann Frequenzen über 100 Hz realisieren. Die minimale Schrittweite der Frequenz liegt bei etwa 0,03 Hz. Daher wird man meist keine runden Werte wie z.b. 10,00 Hz bekommen.

Beispiel: Berkovich Eindruck in Quarzglas mit 1000mN max. Spannungs-Amplitude: 1.2V, Frequenz: 7 Hz Normal Force (mn) 1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,0 Force-Displacement curve Force amplitude Displacement amplitude (x100) 1,0 2,0 Normal Displacement (µm) 3,0 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Amplitide (mn, µm) Normal Force (mn) 1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0,0 Force-Displacement curve Force amplitude Displacement amplitude (x100) 1,0 2,0 Normal Displacement (µm) 3,0 17,0 16,0 15,0 14,0 Phase ( ) Bereits während der Messung werden die Amplitude der Kraft-Schwingung in mn (blau) und die der Weg-Schwingung in µm (grün) angezeigt. Nach der Messung kann auch die Phasenverschiebung zur Piezo-Spannung angezeigt werden (rechte Grafik). Für die Berechnung der Kontaktsteife werden die Amplitudendaten jedoch noch unter Berücksichtigung der Dämpfungseigenschaften des Messkopfes korrigiert.

Bedieneroberfläche Die tiefenabhängigen Ergebnisse, die mit Hilfe des s gewonnen werden, sind im Average results Fenster auf der Seite Depth dependent results zu sehen. Der Parameter für die Y-Achse (Härte, E-Modul ) kann im entsprechenden Auswahlmenü gewählt werden.

Bedieneroberfläche Die korrigierten Einzelergebnisse für Steife und Phasenwinkel sind auf der Seite Vibration zu finden.

Beispiel: E-Modul von Gold und Silber-Schichten auf Kupfer 120 100 E-Modulus (GPa) 80 60 40 20 6µm Silber auf Kupfer 1,7µm Gold auf Kupfer 0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 Contact Depth (µm) 1,50 1,75 Maximalkraft bei 100mN, kleinster Wert bei 0,19mN (73nm Tiefe)

Beispiel: Härte von Gold und Silber-Schichten auf Kupfer 1,75 1,50 Indentation hardness (GPa) 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 6µm Silber auf Kupfer 1,7µm Gold auf Kupfer 0,00 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Contact Depth (µm) 1,25 1,50 1,75 Maximalkraft bei 100mN, kleinster Wert bei 0,19mN (73nm Tiefe)

Beispiel: gleiche SiO 2 -Schichten auf Glas und Saphir 450 400 350 B270 Substrat Saphir Substrat 485 auf B270 485 auf Saphir 140 120 B270 Substrat Saphir Substrat 485 auf B270 485 auf Saphir Extraopolation auf Null E-Modulus (GPa) 300 250 200 150 E-Modulus (GPa) 100 80 60 100 40 50 20 0 0,00 0,10 0,20 Contact Depth (µm) 0,30 0 0,000 0,020 0,040 0,060 0,080 Contact Depth (µm) 0,100 0,120 260nm Oxidschichten auf Saphir und Glassubstrat, Maximalkraft 18mN Erster Punkt bei (20 nm; 0,24 mn) Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass bei dünnen Schichten die Substrateigenschaften nicht vernachlässigt werden können. Erst nach Extrapolation der E-Modulwerte auf Null Eindringtiefe haben die Schichten auf beiden Substraten den gleichen Wert (rechtes Bild).

7,0 6,0 QCSM method 10mN maximum load Conventional method (5 loads 0.5mN - 10mN) E-Modulus (GPa) 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Contact Depth (µm) Beispiel: E-Modul einer Polymerlinse mit 200nm Oxidschicht, Berkovich Indenter Selbst bei einer Maximalkraft von nur 0.5mN kann die Schicht mit der konventionellen Meßmethode nicht nachgewiesen werden. Es gibt nahezu keinen Anstieg des E-Moduls. Dieser ist erst bei den Daten der QCSM Methode in Tiefen unter 150nm sichtbar. 1,25 1,50

100 90 80 100 20 15 Force (mn) 70 60 50 40 30 Stiffness (mn/µm) 80 60 40 10 5 0 Phase difference( ) 20 10 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Displacement (µm) 5.0 6.0 20 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Normal Displacement (µm) Stiffness Phase difference 6.0-5 0.200 Beispiel für die Messung eines Polymers mit einer Frequenz von 5Hz und einer Spannungs-Amplitude von 0,15V Indentation hardness (GPa) 0.150 0.100 0.050 0.000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 Contact Depth (µm) 5.0

4.0 Indentation modulus Storage modulus E' Loss modulus E'' E-Modulus (GPa) 3.0 2.0 1.0 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 Contact Depth (µm) Die Messung der Phasenverschiebung zwischen Kraft- und Wegsignal erlaubt die Berechnung von Storage Modul E und Loss Modul E. 4.0 5.0

Für mehr Informationen zu dieser Messmethode nehmen Sie bitte Kontakt zu ASMEC auf! ASMEC Advanced Surface Mechanics GmbH Bautzner Landstraße 45 D-01454 Radeberg Tel.: +49 351 2695 345 Fax: +49 351 2695 346 Email:info@asmec.de Web: www.asmec.de HR B 22387 Dresden