定量表征目标样品的局部机械性能

应用力与样品变形之间的关系包含了样品局部机械性能的信息，包括硬度和杨氏模量。AFM纳米压痕技术通过精准的力控制，可在纳米范围内精准控制样品变形，并可应用于包括薄膜涂层、金属、聚合物和生物材料在内的广泛材料。

通过AFM评估硬度
纳米压痕包括多个具有不同力设定点的针尖接近和缩回周期，使样品表面永久变形。在纳米压痕实验中，以不同力形成的这些永久样品压痕随后通过Park的真正非接触模式进行成像，以测量残余压痕面积A_I. 然后，根据A_I I和应用力F_I 计算样品硬度H:

H= F_I /A_I

通常，AFM纳米压痕使用附着在AFM悬臂上的三侧金字塔形针尖（Berkovich针尖）。图1（a）显示了通过Park Systems的True Non-contact模式获得的单晶天然钻石压痕针尖的表面形貌。需要注意的是，虽然锋利的硅针尖可以提高AFM成像的空间分辨率，但重复的纳米压痕测量会导致针尖磨损，从而增加了针尖表征和数据分析的复杂性。因此，我们建议使用钻石AFM压痕针尖而不是传统的锋利硅针尖，因为钻石针尖具有明确的针尖几何形状和较小的针尖磨损，可实现更高的重复性和更准确的定量机械性能测量。

图1.（a）AFM压痕针尖的AFM形貌图，以及（b）使用（a）中的AFM压痕针尖以三个不同的力设定点进行纳米压痕实验后，在SiOCH样品表面通过True Non-contact模式获得的高度图像。线轮廓图显示了随着力的增大，压痕区域的增加。

图1（b）显示了在使用不同力（30 μN、50 μN和70 μN）的AFM压痕针尖进行纳米压痕实验后，通过Park Systems的True Non-contact模式在掺碳氢化硅氧化物（SiOCH）薄膜上测量的AFM高度图像。每个压痕的横截面高度轮廓图显示了随着力的增大，压痕深度和残余压痕面积的增加。残余压痕面积可以使用Park的数据分析软件进行定量测量，如图2所示。

图2. 图1（b）中残余压痕区域的定量分析。残余区域（编号为1~3的阴影区域）可以使用Park Systems的数据分析软件轻松确定。

图3. 使用纳米压痕技术在SiOCH表面上获得的力-分离曲线示例。Oliver-Pharr模型被拟合到回缩曲线的初始部分，以确定样品的硬度。

为了提高通过AFM纳米压痕测量的机械性能的准确性，应仔细考虑一些仪器因素，包括悬臂弹簧常数和A-B灵敏度的校准、位移测量以及针尖形状表征。对于薄膜样品，压痕不应超过膜厚的10%，以减少基底效应。此外，建议使用相对平坦的表面进行纳米压痕测量。除了Berkovich针尖外，还开发了具有不同几何形状（例如四面金字塔形、锥形和球形）的AFM纳米压痕针尖，以提高纳米机械测量的准确性和效率。除了通过压痕面积和施加力进行传统的硬度评估外，还可以从纳米压痕实验期间收集的力-分离曲线中获得样品的硬度和其他机械性能（有关力-分离曲线的更多信息，请参阅“力距离光谱模式说明”）。一般来说，从纳米压痕获得的力-分离曲线与在力距离光谱中测量的曲线相似。然而，力距离光谱通常针对具有主要弹性行为（即可逆变形）的软样品，而纳米压痕则针对具有主要弹塑性行为（即不可逆变形）的相对硬样品。

图3显示了使用纳米压痕获得的力-分离曲线示例。根据这些数据，可以使用描述针尖和样品之间接触几何形状的适当接触模型来确定样品的机械性能。由于纳米压痕模式通常施加较大的力以实现样品表面的塑性变形，Oliver-Pharr模型非常适合描述纳米机械样品行为。Oliver-Pharr模型基于以下假设：当针尖接近样品表面时发生弹塑性接触，当针尖从样品表面缩回时，在初始状态下发生纯弹性恢复。因此，该模型通常用于拟合回缩曲线的初始部分，以计算样品的硬度、刚度和杨氏模量等机械性能，如图3所示。然而，在针尖和样品之间为纯弹性接触的情况下，当接近和回缩曲线重合时，建议使用弹性接触模型，如Hertz、Sneddon、JKR或DMT模型。通过使用力-分离曲线方法而不是传统的硬度计算方法，可以在不测量残余压痕面积的情况下提取有关样品机械性能的信息，从而减少与小面积测量相关的不确定性。