ПРИМЕНЕНИЕ ИНДЕНТОРА-ОБЪЕКТИВА ДЛЯ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
Рассмотрены возможности использования инденторов-объективов для оптических и спектрометрических исследований локальных свойств и структуры материалов. Такие инденторы благодаря специальной огранке позволяют получать полноценное оптическое изображение исследуемой области поверхности образца во время выполнения измерений методами индентирования и царапания. На противоположных концах такого алмазного индентора формируются две центрально симметричные пирамиды Берковича, повернутые относительно друг друга на 60°. Эти пирамиды образуют три плоскопараллельных пластины, через которые квазипараллельный пучок света от микроскопа проходит, не претерпевая полного внутреннего отражения, как к образцу, так и обратно. Представленные данные получены с использованием индентора в форме двухсторонней трехгранной пирамиды Берковича. Продемонстрировано измерение спектров рассеяния Рамана и Мандельштама-Бриллюэна из области под индентором с помощью серийных спектрометров. Показано, что, комбинируя оптические и механические методы исследования, можно получить детальную информацию о фазовом состоянии вещества при интенсивной пластической деформации. Предложенный подход применим как к прозрачным, так и непрозрачным материалам, поскольку наблюдение происходит через прозрачный алмазный индентор-объектив. Обсуждается возможность одновременного картографирования оптических и механических свойств исследуемого материала с пространственной привязкой получаемых данных с микронной точностью. Продемонстрировано отслоение алмазоподобной пленки при индентировании, изменение фазового состава кремния в области развитой пластической деформации, измеренного медом Рамановской спектроскопии, рассчитана скорость звука в деформированном алмазным индентором пластике методом рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. Ожидается, что данный подход, совмещающий оптические и механические методы исследования, будет продуктивным при исследовании высокомолекулярных полимерных материалов и фармацевтических препаратов, склонных к формированию поликристаллических структур и попадающих в разные конформационные состояния.
Литература
Cho M. Two-dimensional optical spectroscopy. Boca Raton: CRC Press. 2009. 379 p. DOI: 10.1201/9781420084306.
Tian D., Xu Z., Liu L., Zhou Z., Zhang J., Zhao X., Hartmaier A., Liu B., Song L., Luo X. In situ investigation of nanometric cutting of 3C-SiC using scanning electron microscope. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021. V. 115. N 7–8. P. 2299–2312. DOI: 10.1007/s00170-021-07278-x.
Sun Y.E., Jia Y.E., Minor A.M., Balk T.J. In situ indentation of nanoporous gold thin films in the transmission electron microscope. Microsc. Res. Tech. 2009. V. 72. N 3. P. 232–241. DOI: 10.1002/jemt.20676.
Sakai M., Hakiri N., Miyajima T. Instrumented indentation microscope: A powerful tool for the mechanical characterization in microscales. J. Mater. Res. 2006. V. 21. N 9. P. 2298–2303. DOI: 10.1557/jmr.2006.0276.
Miyajima T., Sakai M. Optical indentation microscopy – a new family of instrumented indentation testing. Philos. Mag. 2006. V. 86. N 33–35. P. 5729–5737. DOI: 10.1080/14786430600788947.
Manimunda P., Syed Asif S.A., Mishra M.K. Probing stress induced phase transformation in aspirin polymorphs using Raman spectroscopy enabled nanoindentation. Chem. Commun. 2019. V. 55. N 62. P. 9200–9203. DOI: 10.1039/c9cc04538d.
Juliano T., Domnich V., Gogotsi Y. Examining pressure-induced phase transformations in silicon by spherical indentation and Raman spectroscopy: A statistical study. J. Mater. Res. 2004. V. 19. N 10. P. 3099–3108. DOI: 10.1557/JMR.2004.0403.
Shikimaka O., Prisacaru A., Burlacu A. Effect of Long-Term Holding Under Contact Loading on the Specific Features of Phase Changes in Silicon. Mater. Sci. 2015. V. 51. N 3. P. 405–411. DOI: 10.1007/s11003-015-9855-3.
Maslenikov I.I., Reshetov V.N., Useinov A.S., Doronin M.A. In Situ Surface Imaging Through a Transparent Diamond Tip. Instruments Exp. Tech. 2018. V. 61. N 5. P. 719–724. DOI: 10.1134/S002044121804022X.
Zong W.J., Wu D., He C.L. Radius and angle determination of diamond Berkovich indenter. Meas. J. Int. Meas. Confed. 2017. V. 104. P. 243–252. DOI: 10.1016/j.measurement.2017.03.035.
Maslenikov I.I., Reshetov V.N., Useinov A.S. Insitu Raman mapping during indentation. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 699. N 1. P. 1433–1435. DOI: 10.1088/1757-899X/699/1/012027.
Maslenikov I.I., Reshetov V.N., Useinov A.S. Raman Spectroscopy through the Indenter Working as an Optical Objective. Mater. Trans. 2019. V. 60. N 8. P. 1433–1435. DOI: 10.2320/matertrans.MD201902.
Liu H., Ma J., Tang A., Tang J. Zhang C., Zhang L., Shen Y. True stress-strain curve extraction from ion-irradiated materials via small tensile, small punch and nanoindentation tests: Method development and accura-cy/consistency verification. Nucl. Fusion. 2020. V. 60. N 5. DOI: 10.1088/1741-4326/ab7c2a.
Ma S., Zhao Z., Wang X. Mesh-based digital image correlation method using higher order isoparametric elements. J. Strain Anal. Eng. Des. 2012. V. 47. N 3. P. 163–175. DOI: 10.1177/0309324712437488.
Duszová A., Halgaš R., Priputen P., Blanda M., Hvizdoš P., Lofaj F., Dusza J. Nanohardness of individual phases in WC - Co cemented carbides. Key Eng. Mat. 2014. V. 586. P. 23–26. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.586.23.
Wang Z., Tian C., Tolstogouzov A., Liang F., Zou C., Li S., Gusev S.I., Yousaf M.I., Pelenovich V., Zuo W., Fu D., Hu D. Microstructure and rutherford backscattering spectrometry of hard/lubricant Mo-Ti-Al-N multilayered coatings prepared by multi-arc ion plating at low substrate rotation. Coatings. 2020. V. 10. N 2. DOI: 10.3390/coatings10020101.
Gladkikh E.V., Kravchuk K.S., Useinov A.S., Nikitin A.A., Rogozhkin S.V. Comparison of Hardening Effects of Eurofer97 and ODS Eurofer Steels Under Ion Irradiation. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 57–62. DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.2y.
Varughese S., Kiran M.S.R.N., Ramamurty U., Desiraju G.R. Nanoindentation in crystal engineering: Quantifying mechanical properties of molecular crystals. Angew. Chemie - Int. Ed. 2013. V. 52. N 10. P. 2701–2712. DOI: 10.1002/anie.201205002.
Gogotsi Y.G. Phase transformations in materials studied by micro-Raman spectroscopy of indentations. Mater. Res. Innov. 1997. V. 1. N 1. P. 3–9. DOI: 10.1007/s100190050011.
Shodja H.M., Ojaghnezhad F., Etehadieh A., Tabatabaei M. Elastic moduli tensors, ideal strength, and morphology of stanene based on an enhanced continuum model and first principles. Mech. Mater. 2017. V. 110. P. 1–15. DOI: 10.1016/j.mechmat.2017.04.001.
Fan D., Mao Z., Yang J., Lin J.-F. Determination of the full elastic tensor of single crystals using shear wave ve-locities by Brillouin spectroscopy. Am. Mineral. 2015. V. 100. N 11–12. P. 2590–2601. DOI: 10.2138/am-2015-5311.
Tran H., Clément S., Vialla R., Vandembroucq D., Rufflé B. Micro-Brillouin spectroscopy mapping of the re-sidual density field induced by Vickers indentation in a soda-lime silicate glass. Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. N 23. DOI: 10.1063/1.4725488.
