柱状纳米物体现在可以用压痕技术进行机械表征。这可以通过德国联邦物理技术研究院(PTB)开发的一种新评估方法以及柱体的压缩性校正方法来实现。

纳米柱的机械表征 上图为使用玻氏(Berkovich)压头进行纳米压痕测量后,典型GaN(氮化镓)柱的扫描电子显微镜图像。

对于由各种半导体材料制成的微柱和纳米柱,目前正在针对它们在能量收集、能量存储和发光(LED)等方面的性能展开大量研究。在收集能量时,柔性柱的机械性能(弹性和硬度)起着重要的作用。纳米压痕技术可以在微米和纳米范围内提取物体的机械性能。在此过程中,需要将一个细小的、具有规定的金字塔形状(玻氏,维氏)压头(通常由金刚石制成)压入一个表面。压痕深度是在加载和卸载过程中采集的。

对于纵横比(高度比直径)较高的微柱的压痕,PTB的初始测量结果显示压痕模量比原始材料的压痕模量要小得多,而且模量与压痕深度的关系很不寻常。初步分析似乎表明,压痕模量对压痕深度的这种意想不到的依赖可能是由微柱的刚度引起的,而在此之前的研究从未考虑过这一点。刚度不仅取决于柱体的半径,而且还取决于其高度。已用扫描力显微镜测定了其几何参数。在考虑了柱体的刚度后,发现压痕模量对压痕深度的依赖就很小,与原始材料的模量非常吻合。

PTB开发的这种校正方法已在由结晶硅和氮化镓构成的微柱上得到了实验证实,该微柱由德国布伦瑞克工业大学(TU Braunschweig)的半导体技术研究院(IHT)制造。柱体直径在IHT用扫描电子显微镜测量,高度在PTB用共聚焦激光扫描显微镜测量。

这种扩展的评估方法能够可靠地确定机械性能,从而支持进一步开发创新的基于柱体的微结构和纳米结构。

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