Дослідження функціональних поверхонь мехатронних пристроїв методом мультизондової атомно-силової мікроскопії
Анотація
В роботі проводилося дослідження поверхонь елементів мехатронних пристроїв з метою визначення геометричних (стану, топології та морфології) та механічних (мікротвердості, зносостійкості та адгезійної міцності) характеристик функціональних поверхонь мехатронних пристроїв шляхом їх експериментального дослідження методом мультизондової атомносилової мікроскопії, що забезпечує необхідні рівні точності та надійності отриманих результатів. Вперше встановлено, що основною перевагою методу мультизондової атомно-силової мікроскопії проти інших методів атомно-силової мікроскопії є здатність пришвидшеного дослідження нанорельєфу та механічних характеристик функціональних поверхонь виробів мехатроніки за один прохід досліджуваної ділянки. Отримані верифіковані альтернативними методами (інтерференційної мікроскопії, растрової електронної мікроскопії, мікротвердометрії за Вікерсом) результати дослідження показали високу якість, точність (похибка визначення механічних характеристик не перевищує 8 %), надійність (ймовірність отримання адекватних результатів, не менше 0,98) та оперативність (час проведення комплексу досліджень зменшено в 1,6…1,8 разів) визначення показників стану, геометричних та механічних характеристик функціональних поверхонь мехатронних пристроїв. Показано перспективи розвитку методу мультизондової атомно-силової мікроскопії шляхом встановення закономірностей впливу робочих параметрів та поверхневого стану зондів атомно-силового мікроскопа на точність, якість та оперативність процесу проведення дослідження
Ключові слова
мультизондова атомно-силова мікроскопія; мехатронний пристрій; функціональна поверхня; топологія поверхні; тонке покриття
Використані джерела
[1] R. Sharma, and B. Dhiman, "Mechatronics around the world - at a glance", Journal of Mechatronics and Robotics, no. 5 (1), pp. 17, 2021. doi: https://doi.org/10.3844/jmrsp.2021.1.7.
[2] D. Alciatore, Introduction to Mechatronics and Measurement Systems, 5th ed., USA, McGraw-Hill Higher Education, 2018.
[3] O. Kushnirenko, N. Gakhovich, and L. Venger, "The impact of industry 4.0 technologies on structural transformation in the manufacturing", in IV Int. Sci. Congress Society of Ambient Intelligence – 2021 (ISCSAI 2021), vol. 100, iss. 01009, 2021. doi: 10.1051/shsconf/202110001009.
[4] K. Deng, Z. Yu, S. Patnaik, and J. Wang, "Advances in intelligent systems and computing: recent developments in mechatronics and intelligent robotics", in Proc. Int. Conf. on Mechatronics and Intelligent Robotics (ICMIR 2018), Springer Nature, Switzerland AG, 2019, p. 454. doi: 10.1007/978-3-030-00214-5.
[5] D. Brandl, "Serialization, where automation and IT collide", Control Engineering, 2014. [Online]. Available: https://www.controleng.com/articles/ serialization-where-automation-and-it-collide/.
[6] V. S. Antoniuk, H. S. Tymchyk, Yu. Yu. Bondarenko, P. V. Petlovanyi, S. O. Bilokin, and M. O. Bondarenko, Methods and means of microscopy. Kyiv, Ukraine: NTUU "KPI", 2013 [in Ukrainian].
[7] V. S. Antoniuk, H. S. Tymchyk, O. V. Vertsanova, Yu. Yu. Bondarenko, S. O. Bilokin, and M. O. Bondarenko, Microscopy in nanotechnology. Kyiv, Ukraine: NTUU "KPI", 2014 [in Ukrainian].
[8] F. Giessibl, "Advances in atomic force microscopy", Reviews of Modern Physics, vol. 75, iss. 3. pp. 949-983, 2003.
[9] E. Meyer, R. Bennewitz, and H. J. Hug, Scanning Probe Microscopy. The Lab on a Tip. Graduate Texts in Physics, 2nd ed., 2021. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-03037089-3.
[10] W. R. Bowen, and N. Hilal, Atomic Force Microscopy in Process Engineering: Introduction to AFM for Improved Processes and Products, Butterworth-Heinemann, 2009. doi: 10.1016/C2009-0-18509-4.
[11] G. Haugstad, Atomic Force Microscopy: Understanding Basic Modes and Advanced Applications, UK, Wiley, 2012.
[12] S. Morita, F. J. Giessibl, E. M. Roland Wiesendanger, Noncontact atomic force microscopy, vol. 3. Springer, Cham, 2015. doi: 10.1007/978-3-319-15588-3.
[13] M. A. Lantz, S. J. O’Shea, and M. E. Welland, "Characterization of tips for conducting atomic force microscopy in ultrahigh vacuum", Review of scientific instruments, vol. 69, no. 4, pp. 1757-1764, 1998.
[14] L. Hongwei et al., "Nanoscale infrared, thermal and mechanical properties of aged microplastics revealed by an atomic force microscopy coupled with infrared spectroscopy (AFM-IR) technique", Science of the Total Environment, no. 744, p. 140944, 2020.
[15] A. Chlanda, E. Kijeńska-Gawrońska, J. Zdunek, and W. Swieszkowski, "Internal nanocrystalline structure and stiffness alterations of electrospun polycaprolactone-based mats after six months of in vitro degradation. An atomic force microscopy assay", Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, no. 101, p. 103437, 2020.
[16] X. Li, M. Dong, D. Jiang, S. Li, and Y. Shang, "The effect of surface roughness on normal restitution coefficient, adhesion force and friction coefficient of the particlewall collision", Powder Technology, no. 362, pp. 17-25, 2020.
[17] V. V. Semenets, I. Sh. Nevliudov, and V. A. Palahin, Introduction to microsystem technology and nanotechnology. Kharkiv, Ukraine: KhNURE, 2012 [in Ukrainian].
[18] D. M. Freik, I. V. Horichok, Ya. S. Iavorskyi, B. S. Dzundza, and Yu. V. Klanichka, "Processes of formation and topology of thin films and nanostructures of silver (review)", Fizyka i khimiia tverdoho tila, vol. 12, no. 3, pp. 555-566, 2011 [in Ukrainian].
[19] O. Andriienko, S. Bilokin, and M. Bondarenko, "Features of creation of multiprobe system for nanometric measurements of geometrical and mechanical properties of surfaces of microsystem devices", Machines. Technologies. Materials, vol. 14, iss. 6, pp. 268-271, 2020. [Online]. Available: https://stumejournals.com/mtm.htm.
[20] Nanomechanics, Inc. Nanomechanics: InSEM Nanoindentation and iNano Nanoindenter. Oak Ridge, TN, USA: Nanomechanics, Inc. Retrieved, Jun. 28, 2017.
[21] W. C. Oliver, and G. M. Pharr, "Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology", Journal of Materials Research, vol. 19, iss. 1, pp. 3-20, 2004.
[22] M. Bondarenko, V. Antonyuk, I. Bondarenko, I. Makarenko, and S. Vysloukh, "Improving the accuracy of microhardness measurement of nanoelectronic elements by the silicic probes of atomic-force microscopy, that is modified by carbon coverage", in New Technologies, Development and Application IV (NT-2021): Lecture Notes in Networks and Systems, I. Karabegović, Ed., vol. 233. Springer, Cham, 2021. doi: 10.1007/978-3-030-75275-0_3.
[23] P. M. Williams et al., "Blind reconstruction of scanning probe image data", J. Vac. Sci. Technol. B., vol. 14, iss. 2, pp. 1557-1562, 2004.
[24] R. R. L. De Oliveira et al., Atomic Force Microscopy – Imaging, Measuring and Manipulating Surfaces at the Atomic Scale. Rijeka, Croatia: InTech, 2012.
[25] D. Sarid, Scanning Force Microscopy with Applications to Electric, Magnetic and Atomic Forces. New York, NY, USA: Oxford Univ. Press, 1991.
[26] A. Lytra, V. Sboros, A. Giannakopoulos, and N. Pelekasis, "Modeling atomic force microscopy and shell mechanical properties estimation of coated microbubbles", Soft Matter, vol. 16, iss. 19, 2020. doi: 10.1039/D0SM00300J.
[27] V. V. Medianyk, Yu. Yu. Bondarenko, C. V. Bazilo, and M. O. Bondarenko, "Research of current-conducting electrodes of elements from piezoelectric ceramics modified by the low-energy ribbon-shaped electron stream", Journal of Nano- and Electronic Physics, vol. 10, no. 6, pp. 06012-1– 06012-6, Sumy State University, 2018. doi: 10.21272/jnep.10(6).06012.
[28] A. Boisen, O. Hansen, and S. Bouwstra, "AFM probes with directly fabricated tips", Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 6, iss. 1, pp. 58-62, 1996. doi: 10.1088/0960-1317/6/1/012.
[29] T. P. Kaminskaya, "Atomic force microscopy for electronics", Proizvodstvo elektroniki, no. 6, pp. 37-39, 2010 [in Russian].
[30] V. Titarenko, S. Bilokin, M. Bondarenko, Yu. Bondarenko, and V. Antonyuk, "Destruction of silicone probes of the atomic force microscope caused by the electrostatic breakdown during scanning of dielectric surfaces", Innovations, vol. VI, iss. 2, pp. 7274, 2018.
[31] V. S. Antonyuk, Yu. Yu. Bondarenko, S. O. Bilokin’, V. O. Andrienko, and M. O. Bondarenko, "Research of microhardness of thin ceramic coatings formed by combined electron-beam method on dielectric materials", Journal of Nano- and Electronic Physics, vol. 11, no. 6, pp. 06024-1– 06024-5, Sumy State University, 2019. doi: 10.21272/jnep.11(6).06024.
[32] "Multifunctional scanning probe microscope (atomic force microscope)", 2016. [Online]. Available: http://microtm.com/nt206/ nt206r.htm. Accessed on: May 12, 2016 [in Russian].
[33] V. A. Moshnikov, Yu. M. Spivak, P. A. Alekseev, and N. V. Permyakov, Atomic force microscopy for the study of nanostructured materials and instrument structures. St. Petersburg, Russia: LETI, 2014. ISBN 978-5-7629-1471-0 [in Russian].
[34] O. Andriienko, S. Bilokin, and M. Bondarenko, "Features of creation of multiprobe system for nanometric measurements of geometrical and mechanical properties of surfaces of microsystem devices", in Proc. XVII Int. Sci. Congress Machines. Technologies. Materials, (Varna, Sept. 09-12, 2020). Varna, Bulgaria, 2020, vol. 2 (17), pp. 50-53. [Online]. Available: http://mtmcongress.com/ winter/sbornik/2-2020.pdf.
[35] A. Suslov, M. Bondarenko, and O. Andrienko, "Perspectives of development of multiinstrumental atomic-force microscopy under nanometric researches of components of microsystem equipment", in VII Int. Sci.-Tech. Conf. Sensors, Devices and Systems – 2018, (Lazurne, Sept. 17-21, 2018). Cherkasy, 2018, pp. 80-82 [in Ukrainian].
[36] S. O. Bilokin, M. O. Bondarenko, Yu. Yu. Bondarenko, and V. S. Antoniuk, "Investigation of physical characteristics of dielectric surfaces with the help of a diagnostic stand based on an atomic force microscope", Visnyk Chernihivskoho derzhavnoho tekhnolohichnoho universytetu. Seriia: Tekhnichni nauky: sci. coll., no. 2 (78), pp. 176-181, 2015 [in Ukrainian].
[37] M. O. Bondarenko, "Investigation of mechanical characteristics of elements of precision instrumentation devices by atomic force microscopy", Visnyk Cherkaskoho derzhavnoho tekhnolohichnoho universytetu. Seriia: Tekhnichni nauky, no. 2, pp. 21-28, 2015 [in Ukrainian].
[38] S. F. Petrenko, Electric micromachines. Kyiv, Ukraine: Korniichuk, 2002 [in Ukrainian].
[39] G. M. Dubrovskaia, Yu. І. Kovalenko, G. V. Kanashevich, and M. A. Bondarenko, "Study of the surface of nanostructured coatings of titanium nitride and carbonitride obtained by gas-phase deposition and ion-beam treatment", Vіsnyk Cherkaskogo derzhavnogo tekhnologіchnogo unіversitetu. Serіya: Tekhnіchnі nauki, no. 2, pp. 56-60, 2006 [in Russian].
[40] S. A. Bilokon', M. A. Bondarenko, and Yu. Yu. Bondarenko, "Determination of the adhesion strength of thin oxide coatings on dielectric materials by atomic force microscopy", Nanosystemy, nanomaterіaly, nanotekhnolohіyi, vol. 12, no. 2, pp. 295-302, 2014 [in Russian].