ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОВЕРХОНЬ МЕХАТРОННИХ ПРИСТРОЇВ МЕТОДОМ МУЛЬТИЗОНДОВОЇ АТОМНО-СИЛОВОЇ МІКРОСКОПІЇ
DOI:
https://doi.org/10.24025/2306-4412.3.2021.246972Ключові слова:
мультизондова атомно-силова мікроскопія, мехатронний пристрій, функціональна поверхня, топологія поверхні, тонке покриттяАнотація
В роботі проводилося дослідження поверхонь елементів мехатронних пристроїв з метою визначення геометричних (стану, топології та морфології) та механічних (мікротвердості, зносостійкості та адгезійної міцності) характеристик функціональних поверхонь мехатронних пристроїв шляхом їх експериментального дослідження методом мультизондової атомно-силової мікроскопії, що забезпечує необхідні рівні точності та надійності отриманих результатів. Вперше встановлено, що основною перевагою методу мультизондової атомно-силової мікроскопії проти інших методів атомно-силової мікроскопії є здатність пришвидшеного дослідження нанорельєфу та механічних характеристик функціональних поверхонь виробів мехатроніки за один прохід досліджуваної ділянки. Отримані верифіковані альтернативними методами (інтерференційної мікроскопії, растрової електронної мікроскопії, мікротвердометрії за Вікерсом) результати дослідження показали високу якість, точність (похибка визначення механічних характеристик не перевищує 8 %), надійність (ймовірність отримання адекватних результатів, не менше 0,98) та оперативність (час проведення комплексу досліджень зменшено в 1,6…1,8 разів) визначення показників стану, геометричних та механічних характеристик функціональних поверхонь мехатронних пристроїв. Показано перспективи розвитку методу мультизондової атомно-силової мікроскопії шляхом встановення закономірностей впливу робочих параметрів та поверхневого стану зондів атомно-силового мікроскопа на точність, якість та оперативність процесу проведення дослідження.
Посилання
R. Sharma, and B. Dhiman, "Mechatronics around the world - at a glance", Journal of Mechatronics and Robotics, no. 5 (1), pp. 1-7, 2021.doi: https://doi.org/10.3844/jmrsp.2021.1.7.
D. Alciatore, Introduction to Mechatronics and Measurement Systems, 5th ed., USA, McGraw-Hill Higher Education, 2018.
O. Kushnirenko, N. Gakhovich, and L. Venger, "The impact of industry 4.0 technologies on structural transformation in the manufacturing", in IV Int. Sci. Congress Society of Ambient Intelligence – 2021 (ISCSAI 2021), vol. 100, iss. 01009, 2021. doi: 10.1051/shsconf/202110001009.
K. Deng, Z. Yu, S. Patnaik, and J. Wang, "Advances in intelligent systems and com-puting: recent developments in mechatronics and intelligent robotics", in Proc. Int. Conf. on Mechatronics and Intelligent Robotics (ICMIR 2018), Springer Nature, Switzerland AG, 2019, p. 454.doi: 10.1007/978-3-030-00214-5.
D. Brandl, "Serialization, where automation and IT collide", Control Engi-neering, 2014. [Online]. Available: https://www.controleng.com/articles/ seriali-zation-where-automation-and-it-collide/.
V. S. Antoniuk, H. S. Tymchyk, Yu. Yu. Bondarenko, P. V. Petlovanyi, S. O. Bilokin, and M. O. Bondarenko, Meth-ods and means of microscopy. Kyiv, Ukraine: NTUU "KPI", 2013 [in Ukrainian].
V. S. Antoniuk, H. S. Tymchyk, O. V. Vertsanova, Yu. Yu. Bondarenko, S. O. Bilokin, and M. O. Bondarenko, Microscopy in nanotechnology. Kyiv, Ukraine: NTUU "KPI", 2014 [in Ukrainian].
F. Giessibl, "Advances in atomic force mi-croscopy", Reviews of Modern Physics, vol. 75, iss. 3. pp. 949-983, 2003.
E. Meyer, R. Bennewitz, and H. J. Hug, Scanning Probe Microscopy. The Lab on a Tip. Graduate Texts in Physics, 2nd ed., 2021.doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-37089-3.
W. R. Bowen, and N. Hilal, Atomic Force Microscopy in Process Engineering: Intro-duction to AFM for Improved Processes and Products, Butterworth-Heinemann, 2009. doi: 10.1016/C2009-0-18509-4.
G. Haugstad, Atomic Force Microscopy: Understanding Basic Modes and Advanced Applications, UK, Wiley, 2012.
S. Morita, F. J. Giessibl, E. M. Roland Wiesendanger, Noncontact atomic force mi-croscopy, vol. 3. Springer, Cham, 2015. doi: 10.1007/978-3-319-15588-3.
M. A. Lantz, S. J. O’Shea, and M. E. Wel-land, "Characterization of tips for conduct-ing atomic force microscopy in ultrahigh vacuum", Review of scientific instruments, vol. 69, no. 4, pp. 1757-1764, 1998.
L. Hongwei et al., "Nanoscale infrared, thermal and mechanical properties of aged microplastics revealed by an atomic force microscopy coupled with infrared spectros-copy (AFM-IR) technique", Science of the Total Environment, no. 744, p. 140944, 2020.
A. Chlanda, E. Kijeńska-Gawrońska, J. Zdu-nek, and W. Swieszkowski, "Internal nano-crystalline structure and stiffness alterations of electrospun polycaprolactone-based mats after six months of in vitro degradation. An atomic force microscopy assay", Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Ma-terials, no. 101, p. 103437, 2020.
X. Li, M. Dong, D. Jiang, S. Li, and Y. Shang, "The effect of surface roughness on normal restitution coefficient, adhesion force and friction coefficient of the particle-wall collision", Powder Technology, no. 362, pp. 17-25, 2020.
V. V. Semenets, I. Sh. Nevliudov, and V. A. Palahin, Introduction to microsystem technology and nanotechnology. Kharkiv, Ukraine: KhNURE, 2012 [in Ukrainian].
D. M. Freik, I. V. Horichok, Ya. S. Iavorskyi, B. S. Dzundza, and Yu. V. Klanichka, "Processes of formation and topology of thin films and nanostructures of silver (review)", Fizyka i khimiia tverdoho tila, vol. 12, no. 3, pp. 555-566, 2011 [in Ukrainian].
O. Andriienko, S. Bilokin, and M. Bondarenko, "Features of creation of multiprobe system for nanometric measurements of ge-ometrical and mechanical properties of sur-faces of microsystem devices", Machines. Technologies. Materials, vol. 14, iss. 6, pp. 268-271, 2020. [Online]. Available: https://stumejournals.com/mtm.htm.
Nanomechanics, Inc. Nanomechanics: In-SEM Nanoindentation and iNano Nanoindenter. Oak Ridge, TN, USA: Na-nomechanics, Inc. Retrieved, Jun. 28, 2017.
W. C. Oliver, and G. M. Pharr, "Measure-ment of hardness and elastic modulus by in-strumented indentation: Advances in under-standing and refinements to methodology", Journal of Materials Research, vol. 19, iss. 1, pp. 3-20, 2004.
M. Bondarenko, V. Antonyuk, I. Bondarenko, I. Makarenko, and S. Vysloukh, "Im-proving the accuracy of microhardness measurement of nanoelectronic elements by the silicic probes of atomic-force microsco-py, that is modified by carbon coverage", in New Technologies, Development and Appli-cation IV (NT-2021): Lecture Notes in Net-works and Systems, I. Karabegović, Ed., vol. 233. Springer, Cham, 2021. doi: 10.1007/978-3-030-75275-0_3.
P. M. Williams et al., "Blind reconstruction of scanning probe image data", J. Vac. Sci. Technol. B., vol. 14, iss. 2, pp. 1557-1562, 2004.
R. R. L. De Oliveira et al., Atomic Force Microscopy – Imaging, Measuring and Ma-nipulating Surfaces at the Atomic Scale. Ri-jeka, Croatia: InTech, 2012.
D. Sarid, Scanning Force Microscopy with Applications to Electric, Magnetic and Atomic Forces. New York, NY, USA: Ox-ford Univ. Press, 1991.
A. Lytra, V. Sboros, A. Giannakopoulos, and N. Pelekasis, "Modeling atomic force microscopy and shell mechanical properties estimation of coated microbubbles", Soft Matter, vol. 16, iss. 19, 2020.doi: 10.1039/D0SM00300J.
V. V. Medianyk, Yu. Yu. Bondarenko, C. V. Bazilo, and M. O. Bondarenko, "Research of current-conducting electrodes of elements from piezoelectric ceramics modi-fied by the low-energy ribbon-shaped electron stream", Journal of Nano- and Electronic Physics, vol. 10, no. 6, pp. 06012-1–06012-6, Sumy State University, 2018.doi: 10.21272/jnep.10(6).06012.
A. Boisen, O. Hansen, and S. Bouwstra, "AFM probes with directly fabricated tips", Journal of Micromechanics and Microengi-neering, vol. 6, iss. 1, pp. 58-62, 1996. doi: 10.1088/0960-1317/6/1/012.
T. P. Kaminskaya, "Atomic force microsco-py for electronics", Proizvodstvo elektroniki, no. 6, pp. 37-39, 2010 [in Russian].
V. Titarenko, S. Bilokin, M. Bondarenko, Yu. Bondarenko, and V. Antonyuk, "De-struction of silicone probes of the atomic force microscope caused by the electrostatic breakdown during scanning of dielectric sur-faces", Innovations, vol. VI, iss. 2, pp. 72-74, 2018.
V. S. Antonyuk, Yu. Yu. Bondarenko, S. O. Bilokin’, V. O. Andrienko, and M. O. Bondarenko, "Research of microhard-ness of thin ceramic coatings formed by combined electron-beam method on dielec-tric materials", Journal of Nano- and Elec-tronic Physics, vol. 11, no. 6, pp. 06024-1–06024-5, Sumy State University, 2019.doi: 10.21272/jnep.11(6).06024.
"Multifunctional scanning probe microscope (atomic force microscope)", 2016. [Online]. Available: http://microtm.com/nt206/ nt206r.htm. Accessed on: May 12, 2016 [in Russian].
V. A. Moshnikov, Yu. M. Spivak, P. A. Alekseev, and N. V. Permyakov, Atomic force microscopy for the study of nanostructured materials and instrument structures. St. Petersburg, Russia: LETI, 2014. ISBN 978-5-7629-1471-0 [in Russian].
O. Andriienko, S. Bilokin, and M. Bondarenko, "Features of creation of multiprobe system for nanometric measurements of geometrical and mechanical properties of surfaces of microsystem devices", in Proc. XVII Int. Sci. Congress Machines. Technologies. Materials, (Varna, Sept. 09-12, 2020). Varna, Bulgaria, 2020, vol. 2 (17), pp.50-53.[Online]. Available: http://mtmcongress.com/ winter/sbornik/2-2020.pdf.
A. Suslov, M. Bondarenko, and O. Andrienko, "Perspectives of development of multi-instrumental atomic-force microscopy under nanometric researches of components of microsystem equipment", in VII Int. Sci.-Tech. Conf. Sensors, Devices and Systems – 2018, (Lazurne, Sept. 17-21, 2018). Cherkasy, 2018, pp. 80-82 [in Ukrainian].
S. O. Bilokin, M. O. Bondarenko, Yu. Yu. Bondarenko, and V. S. Antoniuk, "Investigation of physical characteristics of dielectric surfaces with the help of a diag-nostic stand based on an atomic force microscope", Visnyk Chernihivskoho derzhavnoho tekhnolohichnoho universytetu. Seriia: Tekhnichni nauky: sci. coll., no. 2 (78), pp. 176-181, 2015 [in Ukrainian].
M. O. Bondarenko, "Investigation of mechanical characteristics of elements of preci-sion instrumentation devices by atomic force microscopy", Visnyk Cherkaskoho derzhav-noho tekhnolohichnoho universytetu. Seriia: Tekhnichni nauky, no. 2, pp. 21-28, 2015 [in Ukrainian].
S. F. Petrenko, Electric micromachines. Kyiv, Ukraine: Korniichuk, 2002 [in Ukrainian].
G. M. Dubrovskaia, Yu. І. Kovalenko, G. V. Kanashevich, and M. A. Bondarenko, "Study of the surface of nanostructured coat-ings of titanium nitride and carbonitride obtained by gas-phase deposition and ionbeam treatment", Vіsnyk Cherkaskogo derzhavnogo tekhnologіchnogo unіversitetu. Serіya: Tekhnіchnі nauki, no. 2, pp. 56-60, 2006 [in Russian].
S. A. Bilokon', M. A. Bondarenko, and Yu. Yu. Bondarenko, "Determination of the adhesion strength of thin oxide coatings on dielectric materials by atomic force micros-copy", Nanosystemy, nanomaterіaly, nanotekhnolohіyi, vol. 12, no. 2, pp. 295-302, 2014 [in Russian].
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
URN
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Ігор Сергійович Кобиць, Олександр Олександрович Бруньов, Ольга Іванівна Андрієнко, Світлана Олександрівна Білокінь, Максим Олексійович Бондаренко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автори, які публікуються в цьому збірнику, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають збірнику право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License CC BY-NC, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому збірнику.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи в тому вигляді, в якому її опубліковано цим збірником (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати в складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому збірнику.
Політика збірника наукових праць дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
