Vermessung ultradünner Schichten und Zellmembranen
MEMS-basierter Nanoindentor bestimmt elastisch-plastische Eigenschaften.
„Härte ist der Widerstand, den ein Körper dem Eindringen eines anderen (härteren) Körpers entgegensetzt.“ Auch wenn diese es auf den Punkt bringende Beschreibung durch Martens erst 1912 formuliert wurde, mit der zugehörigen Messtechnik rangen seit den ersten dokumentierten Versuchen von Barba 1640 viele Naturforscher. Was aber, wenn kaum Körper zum Widerstandleisten vorhanden ist – wie im Fall dünner (ca. 3 µm dicker) und gar ultradünner (kleiner 1 µm dicker) Schichten?
Abb.: MEMS-Nanoindentor mit Rubinkugel als Eindringkörper. (Bild: PTB)
Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die elastisch-plastischen Eigenschaften von bis zu einem Mikrometer dicken Schichten bestimmen lassen. Ein als Mikro-Elektro-Mechanisches-System (MEMS) betriebener Nanoindentor drückt eine Rubinkugel von 100 Mikrometer Durchmesser in die zu untersuchende Schicht, wobei gleichzeitig Eindringtiefe und Eindringkraft gemessen werden. Damit auch wirklich die Eigenschaften dieser ultradünnen Schichten – und nicht etwa die des Untergrunds – gemessen werden, darf die Eindringtiefe nur ein Zehntel der Schichtdicke ausmachen. Die dafür erforderliche exakte und hochaufgelöste Dosierung der Eindringkraft wird bei dem hier vorgestellten Verfahren durch einen elektrostatischen Kammantriebsaktor, bestehend aus zwei ineinander verschränkten Fingerstrukturen, realisiert. Das Antriebsprinzip beruht auf der Anziehungskraft der beiden entgegengesetzt aufgeladenen über die angelegte Spannung akkurat steuerbaren Kammelektroden, von denen eine fest und die andere beweglich ist.
Abb.: Prinzip des lateralen Kammantriebsaktors. (Bild: PTB)
Das Miniatur-Indentationsgerät ist dabei so ausgelegt, dass es 2000 Fingerpaare im Kammantrieb hat, die 0,74 Millinewton in der Nulllage und 0,6 Millinewton (reine Eindringkraft) bei einer axialen Verschiebung von 5 Mikrometer, was einer Antriebsspannung von 50 Volt entspricht, erzeugen.
Analog anderer Verfahren zur Härtemessung wird – hier naturgemäß auf viel kleineren Skalen – die Eindringtiefe und aufgebrachte Kraft für den Be- und Entlastungsvorgang aufgezeichnet. Ohne weiteres Abtasten oder optisches Vermessen des Eindrucks können der aufgenommenen Kurve können dann mechanische Eigenschaften der ultradünnen Schichten wie Härte und Elastizitätsmodul bestimmt werden.
Abb.: Eindringkurve bei einem kugelförmigen Eindringkörper mit 100 μm Durchmesser auf Al-Grundwerkstoff (Simulation). (Bild: PTB)
Die durch die MEMS-Technologie ermöglichten kompakten Abmaße des Systems gestatten einen Einbau in eine geschützte Umgebung und das Messprinzip gewährleistet eine exakte Charakterisierung auch von Materialien mit starkem Kriechen und einer hohen Elastizität. Damit ist das patentierte Verfahren, für das die PTB nun Lizenznehmer sucht, bestens geeignet zur Untersuchung dünnster Schichten, z. B. für optische oder mikrotechnische Anwendungen, aber auch für Messungen an Zellmembranen.
PTB / LK
