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Nano-indenter 奈米壓痕儀的執行方式

奈米壓痕 (Nano-indenter)主要是用曲率半徑為奈米尺寸的鑽石探針 (Bercovich tip)，在試片上進行楊氏模數 (Young's modulus) 與硬度的量測

Bercovich是一種三角錐的探針，由於探針尺寸為nanometer等級

因此許多需要精細物性量測就會運用奈米壓痕技術，特別是半導體製程與薄膜物性量測的應用上更為廣泛

儀器上搭載的超精細力量傳感器，除了可控制到 uN 的力量，更在位移上可控制到 nm 的移動

因此，可進行極淺層的薄膜壓痕物性量測，避免物性量測受到薄膜下方基材的干擾

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Nano-indentation 奈米壓痕量測原理

在奈米壓痕的量測過程中，主要分為加載與卸載的程序

剛開始可以設定一個極小的力量，例如3uN，當作探針接觸到試片表面的基礎力

意思為，探針慢慢接觸到試片表面時，力量傳感器探測到的力量會增加

當力量到3uN時定義為探針接觸到試片表面

接著，探針會逐漸增加力量下壓至設定的力量，此過程稱為 “加載”

之後逐漸減少力量至探針離開試片表面，此過程稱為 “卸載”

由於在“加載”與“卸載”過程中，儀器會同步記錄探針的位移，因此最後得到的曲線稱為『力量-位移曲線』，如下圖範例

由『力量-位移曲線』的 data 可代入下方公式中計算折合楊氏模數 (Reduced Young's modulus) 與硬度

這邊要特別說明『折合楊氏模數 , Er』與『楊氏模數 , E』的差異

為何奈米壓痕儀量測出來的數值是『折合楊氏模數 , Reduced young's modulus』?

原因在於探針壓在試片表面時，探針本身也會有些許變形，探針的變形就會導致數值不精確

因此須把探針變形的影響換算回去，藉由下方的公式

要代入上方公式時，必須先知道試片與探針的 poisson ratio

換算之後就可以得到真實的試片『楊氏模數 , Young's modulus』

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參考資料：A nano-indentation study on the mechanical behavior

台灣哪裡有奈米壓痕儀量測資源 ?

目前奈米壓痕儀最主要的廠商有兩家『Brucker』、『KLA』

國內學術單位的奈米壓痕儀資源多數為『Brucker』的儀器

|| 北部學校

【台大材料系】

『Brucker - TI950』配備升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描、Nano-wear、Nano-DMA

提供學界、商業界付費委託測試，連結如下

台大奈米壓痕儀量測資源

【台科大材料系】

『Brucker - TI980』無升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描、Nano-wear、Nano-DMA

提供學界、商業界付費委託測試，連結如下

台科大奈米壓痕儀量測資源

【清華實驗室】

『Brucker - TI980』配備升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描、Nano-wear、Nano-DMA

提供學界、商業界付費委託測試，儀器所在位置 《清華大學-清華實驗室》

【北科大化工系】

『Brucker - TI700』無升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描

無提供委託測試

|| 中部學校

【中興材料系】

『Brucker - TI700』無升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描

無提供委託測試

|| 南部資源

【成大機械系】

『Brucker - TI950』配備升溫系統，同時具備奈米刮痕、表面形貌掃描、Nano-wear、Nano-DMA

為Brucker廠商機台，需電話詢問委託測試，《Brucker官網》

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