Forskare vid McCormick School of Engineering and Applied Science vid Northwestern University har utvecklat, karakteriserad, och modellerade en ny typ av sond som används i atomkraftmikroskopi (AFM), vilka bilder, åtgärder, och manipulerar materia på nanoskala.
Använda diamant, forskare gjorde en mycket mer hållbar sond än de kommersiellt tillgängliga kiselnitridsonderna, som vanligtvis används i AFM för att samla information från ett material, men kan slitas ut efter flera användningar.
Horacio Espinosa, James och Nancy Farley professor i tillverkning och entreprenörskap, och hans doktorand Ravi Agrawal har visat att diamant atomic force mikroskopisonder är 10 gånger mer hållbara än kiselnitridsonder.
Deras resultat publicerades nyligen i Journal of Applied Physics .
"Det är välkänt att diamant bör prestera mycket bättre än andra sondmaterial, " säger Espinosa. "Men, rigorös kvantifiering av slitage och utveckling av modeller med förutsägande kapacitet har förblivit svårfångade. Det var spännande att upptäcka att diamantsonder är en storleksordning mer slitstarka än kiselnitridsonder och att en enda modell kan förutsäga slitage för båda materialen."
I studien, slitagetester utfördes med AFM-sonder gjorda av olika material - kiselnitrid, ultrananokristallin diamant (UNCD) och kvävedopad UNCD - genom att skanna dem över ett hårt UNCD-substrat. Argonne National Laboratory, där UNCD ursprungligen uppfanns, stödde också detta arbete genom att tillhandahålla kvävedopad UNCD. Sonder tillverkades i egen regi och tillhandahålls även av Advanced Diamond Technologies, Inc. (ADT).
"Det krävdes en hel del ansträngning att utveckla UNCD till en skarp spets. Vi behövde optimera de inledande stadierna av diamanttillväxt för att bilda nanometerstrukturer med konsekventa resultat. Det är verkligen trevligt att upptäcka att detta arbete gav resultat för att visa att UNCD-sonder är ganska nötningsbeständig, som vi förutspådde, sa Nicolaie Moldavan, en tidigare forskarprofessor vid Northwestern University involverad i tillverkningen av UNCD-sonderna. Moldavan är nu mikrotillverkningsexpert på Advanced Diamond Technologies, Inc.
Förutom att karakterisera sonden, forskare skapade också en modell som kan förutsäga hur en sondspets kommer att bära.
"Utvecklingen av en generell modell med prediktiv förmåga är en viktig milstolpe. Denna ansträngning gav också insikt i hur gränssnittsvidhäftningen mellan sonden och substratet relaterar till slitstyrkan hos AFM-sonder, säger Agrawal.
Neil Kane, ordförande för ADT, sa, "Resultaten som rapporterats i denna undersökning är imponerande när det gäller att visa förbättringen i slitstyrka hos diamantsonder. Detta arbete inspirerade delvis utvecklingen av våra kommersiellt tillgängliga NaDiaProbes®."
Pappret, författad av Agrawal, Moldavien, och Espinosa, valdes också ut till den 5 oktober, 2009 års nummer av Virtual Journal of Nanoscale Science and Technology (www.vjnano.org).
Källa:Northwestern University
