Изюмов Р.И., Свистков А.Л. Математическая модель исследования подповерхностных структур наполненных эластомеров в полуконтактном режиме атомносилового микроскопа // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2024. № 3(61). С. 32-41. DOI: https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.61.3.004. EDN: MWKGKL.

Автор(ы)

Изюмов Р.И. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Свистков А.Л. — Институт механики сплошных сред УрО РАНORCIDeLibrary

Название статьи

Математическая модель исследования подповерхностных структур наполненных эластомеров в полуконтактном режиме атомносилового микроскопа

Название (англ.): Mathematical model of investigation of subsurface structures of filled elastomers in semi-contact mode of atomic force microscope

Индекс(ы) УДК

531

DOI

10.37972/chgpu.2024.61.3.004

EDN

MWKGKL

Ключевые слова

атомно-силовая микроскопия; полуконтактный режим; математическая модель; фазовый сдвиг; подповерхностная структура

Аннотация

Целью работы являлось разработать методику построения структуры приповерхностного слоя исследуемого материала методами атомно-силовой микроскопии. Метод подходит для изучения мягких наполненных материалов и заключается в построении трехмерного изображения скрытой под поверхностью структуры жесткого наполнителя с использованием данных полуконтактного режима атомно-силового микроскопа (АСМ): фазового портрета и карты рельефа поверхности образца. В модели зонд АСМ рассматривается как пружинный маятник с заданными (жесткость и резонансная частота) и расчетными (эффективная масса и внутренняя вязкость) параметрами. Параметры численной модели описывают реальную экспериментальную установку. Поведение материала описывается упругой моделью, диссипация реализуется силами адгезии, которые втягивают зонд в материал после контакта с его поверхностью. Для заданного материала и параметров эксперимента полученная карта фазового сдвига интерпретируется как результат воздействия жестких объектов, расположенных на определенной глубине. Значения этих глубин преобразуются в рельеф скрытых подповерхностных структур.

Даты

Поступила: 21.09.2024; Принята: 29.11.2024; Опубликована: 24.12.2024

Страницы

32-41

Полная версия статьи

Скачать PDF

QR-код EDN

1. Martin Y., Williams C. C., Wickramasinghe H. K. Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub 100-A scale // Journal of Applied Physics. 1987. no. 61. 4723.  DOI: 10.1063/1.338807
2. Meyer G., Nabil M. Erratum: Novel optical approach to atomic force microscopy // Applied Physics Letters. 1988. no. 53. 1045.  DOI: 10.1063/1.100425
3. Sharahi H. J., et. al. Contrast mechanisms on nanoscale subsurface imaging in ultrasonic AFM: scattering of ultrasonic waves and contact stiffness of the tip-sample // Nanoscale. 2017. no. 9 (6). P. 2330-2339.  DOI: 10.1039/c6nr09124e
4. Soliman M., et al. Nanoscale subsurface imaging // Journal of Physics: Condensed Matter. 2017. no. 29. 173001.  DOI: 10.1088/1361-648X/aa5b4a EDN: YYIZMV
5. Verbiest G. J., et. al. Subsurface-AFM: sensitivity to the heterodyne signal // Nanotechnology. 2013. no. 24. 365701.  DOI: 10.1088/0957-4484/24/36/365701 EDN: YAFILN
6. Svistkov A. L., Izyumov R. I. Influence of interface phenomena on the features of interaction between the probe of atomic force microscope and soft material // Mechanics of Materials. 2020. no. 148. 103500.  DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103500 EDN: WYPNCA
7. Izyumov R. I., Svistkov A. L. Effect of surface tension forces on changes in the surface relief of the elastomer nanocomposite // Nanoscience and Technology: An International Journal 2019. no. 10 (1), P. 51-66.  DOI: 10.1615/NANOSCITECHNOLINTJ.2018029558 EDN: IVYEYQ
8. Rimai D., Quesnel D., Busnaina A. The adhesion of dry particles in the nanometer to micrometer-size range // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2000. no. 165 (1-3), P. 3-10.  DOI: 10.1016/S0927-7757(99)00439-2 EDN: YEIJCL
9. Style R. W., et. al. Surface tension and contact with soft elastic solids // Nature Communications. 2013. no. 4, P. 2728-2733.  DOI: 10.1038/ncomms3728
10. Svistkov A. L., Izyumov R. I. Influence of intermolecular interaction force on the jump magnitude of the atomic force microscope probe during indentation of soft material // Nanoscience and Technology: An International Journal. 2020. no. 11 (1). P. 55-71.  DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020032629 EDN: JBLMMM
11. Eslami S., Jalili N. A comprehensive modeling and vibration analysis of AFM microcantilevers subjected to nonlinear tip-sample interaction forces // Ultramicroscopy. 2012. no. 117. P. 31- 45.  DOI: 10.1016/j.ultramic.2012.03.016 EDN: XYXSPS
12. Li Z., Shi T., Xia Q. Design optimization of high performance tapping mode AFM probe // Microsystem Technologies. 2018. no. 24(2). P. 979-987.  DOI: 10.1007/s00542-017-3442-5
13. Sahoo D. R., et. al. High-throughput intermittent-contact scanning probe microscopy // Nanotechnology. 2010. no. 21 (7). 075701.  DOI: 10.1088/0957-4484/21/7/075701
14. Vatankhah R. Nonlinear vibration of AFM microcantilevers with sidewall probe // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2017. no. 39. P. 4873-4886.  DOI: 10.1007/s40430-017-0823-8
15. Derjaguin B. V., Muller V. M., Toporov Y. P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles // Journal of Colloid and Interface Science. 1975. no. 53 (2). P. 314-326.  DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1 EDN: ZYQZQX
16. Marshall J. S., Li Sh. Adhesive particle flow: a discrete-element approach. New York: Cambridge University Press, 2014. 342 p.  DOI: 10.1017/CBO9781139424547 EDN: UULOSB
17. NTMDT, CSG30, Homepage, https://ntmdt-russia.com/product/csg30.
18. Izyumov R. I, Sokolov A. K., Svistkov A. L. Indentation of soft material containing filler particles // Procedia Structural Integrity. 2021. no. 32. P. 87-92.  DOI: 10.1016/j.prostr.2021.09.013 EDN: VOURWQ

1. Martin Y., Williams C.C., Wickramasinghe H.K. Atomic force microscope-force mapping and profiling on a sub-100-Å scale. Journal of Applied Physics, 1987, vol. 61, article 4723. DOI: 10.1063/1.338807.
2. Meyer G., Nabil M. Erratum: Novel optical approach to atomic force microscopy. Applied Physics Letters, 1988, vol. 53, article 1045. DOI: 10.1063/1.100425.
3. Sharahi H.J., et al. Contrast mechanisms in nanoscale subsurface imaging by ultrasonic AFM: Scattering of ultrasonic waves and contact stiffness of the tip-sample system. Nanoscale, 2017, vol. 9, no. 6, pp. 2330–2339. DOI: 10.1039/C6NR09124E.
4. Soliman M., et al. Nanoscale subsurface imaging. Journal of Physics: Condensed Matter, 2017, vol. 29, article 173001. DOI: 10.1088/1361-648X/aa5b4a. EDN: YYIZMV.
5. Verbiest G.J., et al. Subsurface-AFM: Sensitivity to the heterodyne signal. Nanotechnology, 2013, vol. 24, article 365701. DOI: 10.1088/0957-4484/24/36/365701. EDN: YAFILN.
6. Svistkov A.L., Izyumov R.I. Influence of interface phenomena on the features of interaction between the probe of an atomic force microscope and soft material. Mechanics of Materials, 2020, vol. 148, article 103500. DOI: 10.1016/j.mechmat.2020.103500. EDN: WYPNCA.
7. Izyumov R.I., Svistkov A.L. Effect of surface tension forces on changes in the surface relief of an elastomer nanocomposite. Nanoscience and Technology: An International Journal, 2019, vol. 10, no. 1, pp. 51–66. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2018029558. EDN: IVYEYQ.
8. Rimai D., Quesnel D., Busnaina A. The adhesion of dry particles in the nanometer-to-micrometer size range. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2000, vol. 165, nos. 1–3, pp. 3–10. DOI: 10.1016/S0927-7757(99)00439-2. EDN: YEIJCL.
9. Style R.W., et al. Surface tension and contact with soft elastic solids. Nature Communications, 2013, vol. 4, pp. 2728–2733. DOI: 10.1038/ncomms3728.
10. Svistkov A.L., Izyumov R.I. Influence of intermolecular interaction force on the jump magnitude of an atomic force microscope probe during indentation of soft material. Nanoscience and Technology: An International Journal, 2020, vol. 11, no. 1, pp. 55–71. DOI: 10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2020032629. EDN: JBLMMM.
11. Eslami S., Jalili N. A comprehensive modeling and vibration analysis of AFM microcantilevers subjected to nonlinear tip-sample interaction forces. Ultramicroscopy, 2012, vol. 117, pp. 31–45. DOI: 10.1016/j.ultramic.2012.03.016. EDN: XYXSPS.
12. Li Z., Shi T., Xia Q. Design optimization of a high-performance tapping-mode AFM probe. Microsystem Technologies, 2018, vol. 24, no. 2, pp. 979–987. DOI: 10.1007/s00542-017-3442-5.
13. Sahoo D.R., et al. High-throughput intermittent-contact scanning probe microscopy. Nanotechnology, 2010, vol. 21, no. 7, article 075701. DOI: 10.1088/0957-4484/21/7/075701.
14. Vatankhah R. Nonlinear vibration of AFM microcantilevers with a sidewall probe. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2017, vol. 39, pp. 4873–4886. DOI: 10.1007/s40430-017-0823-8.
15. Derjaguin B.V., Muller V.M., Toporov Y.P. Effect of contact deformations on the adhesion of particles. Journal of Colloid and Interface Science, 1975, vol. 53, no. 2, pp. 314–326. DOI: 10.1016/0021-9797(75)90018-1. EDN: ZYQZQX.
16. Marshall J.S., Li S. Adhesive Particle Flow: A Discrete-Element Approach. New York, Cambridge University Press, 2014. 342 p. DOI: 10.1017/CBO9781139424547. EDN: UULOSB.
17. NT-MDT. CSG30. Product webpage. Available at: https://ntmdt-russia.com/product/csg30.
18. Izyumov R.I., Sokolov A.K., Svistkov A.L. Indentation of soft material containing filler particles. Procedia Structural Integrity, 2021, vol. 32, pp. 87–92. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.09.013. EDN: VOURWQ.

Авторские права и лицензия

© 2024 Автор(ы). Статья публикуется в открытом доступе на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» 4.0 Всемирная (CC BY 4.0), которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего указания авторства. Авторские права на статью сохраняются за авторами.