Особливості та переваги дослідження поверхонь матеріалів космічної техніки методом атомно-силової мікроскопії
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2023.01.065Ключові слова:
атомно-силова мікроскопія, матеріали космічної техніки, нітрид алюмінію, нанорельєф поверхніАнотація
У статті наводяться переваги методу атомно-силової мікроскопії (АСМ), як одного з найбільш універсальних та перспективних методів дослідження поверхонь матеріалів космічної техніки. Проведене порівняння результатів дослідження таких матеріалів на прикладі нітриду алюмінію (AlN) методами растрової електронної мікроскопії (РЕМ) та АСМ в результаті чого встановлено, що, не дивлячись на більшу роздільну здатність методу РЕМ, основними його недоліками є неможливість проведення вертикального сканування поверхонь та відсутність можливості дослідження їх фізико-механічних властивостей. Встановлені переважні особливості процесу дослідження рельєфу поверхонь методом АСМ, які полягають у можливості високоточного позиціонування вимірювального інструменту (з точністю визначення заданої ділянки – до 40 нм); усунення викривлення отриманого зображення досліджуваної ділянки та автоматичному корегуванні швидкості проведення дослідження. Визначені середньоарифметичні значення мікронерівностей поверхонь нітриду алюмінію, отримані методом АСМ для зразків, які не піддавалися умовам екстремального середовища (Ra = 147 нм; Rq = 163 нм) та зразків, які піддавалися протягом тривалого часу (120-140 годин) умовам екстремального середовища, що імітує космічні умови (температура 550 °С, тиск 6,8 – 7,2 мкбар) (Ra = 381 нм; Rq = 422 нм). Також визначена максимальна поруватість в поверхневому шарі (до 1,5 мкм) зразків з нітриду алюмінію, яка склала 3 – 5,2%.Посилання
Antonyuk V. S., Tymchyk H. S., Bondarenko Yu. Yu., et al. (2013). Microscopy methods and tools. Kyiv: NTUU «KPI», 336 p. [in Ukrainian].
Barbarini E., Villamor A. (2019). The power of electronics. I-Micronews.
URL: https://www.i-micronews.com/the-powerof-electronics/?utm_source=Zoho Campaigns&utm_campaign=iMN13Sept2019Asia&utm_medium=email&cn-reloaded=1 (Last accessed: 23.09.2022).
Belyanin A. F., Bouilov L. L., Zhirnov V. V., et al. (1999). Application of aluminum nitride films for electronic devices. Diamond and Related Materials, 8 (2-5), 369-372.
https://doi.org/10.1016/S0925-9635(98)00412-9
Birdi K. S. (2003). Scanning probe microscopes. Application in science and technology. Florida: CRC Press LLC, 328 p. [in English].
https://doi.org/10.1201/9780203011072
Bondarenko M. A., Bondarenko J. J., Shelestovskaya S. A. (2011). Research of Influence of the State of Surface of Probes for AFM on Exactness and Quality of the Topograms. Electronics and Nanotechnology, 60.
Bondarenko М. О., Bondarenko Yu. Yu., Antonyuk V. S. (2015). Prospects of using the atomic force microscopy method to study the condition and physical and mechanical characteristics of the surfaces of precision engineering products. Bull. Lviv Polytechnic Nat. Univ. Ser.: Optimization of production processes and technical control in mechanical engineering and instrument engineering, 822, 72-77 [in Ukrainian].
Chizhik S. A., Sviridenok A. P., Suslov A. A. (2009). Eyes and hands of nanotechnology. Sci. innov., 3, 53-55 [in Russian].
Ghidini T. (2018). Materials for space exploration and settlement. Nature Mater., 17, 846-850.
https://doi.org/10.1038/s41563-018-0184-4
Giessibl F. (2003). Advances in Atomic Force Microscopy. Revs Modern Phys., 75 (3), 949-983.
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.75.949
Itsenko A. I., Shevchenko A. I., Bogdan G. A. (2019). Controlling the uniformity of the distribution of strength characteristics in aluminum nitride materials based on the results of acoustic measurements. Vcheni zapysky TNU imeni V. I. Vernadskoho. Ser. tekhnichni nauky., 30 (69), 51-55 [in Ukrainian].
https://doi.org/10.32838/2663-5941/2019.3-1/09
Jalili N., Laxminarayana K. (2004). A review of atomic force microscopy imaging systems: application to molecular metrology and biological sciences. Mechatronics, 14, 907-945.
https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2004.04.005
Magonov S. N., Myung-Hwan Whangbo (2008). Surface analysis with STM and AFM: Experimental and theoretical aspects of image analysis. Oxford, UK: Wiley, 335 p.
Miria M. (2018). NTRS - NASA Technical reports server: Aerospace materials and applications. Finckenor, US: NASA Marshall Space Flight Center Huntsville, 145 p.
Nanotechnology in Space With nanosurf atomic force microscope looking for life on Mars as part of Phoenix Mars mission (Jun. 6 2008).
URL: https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=2183 (Last accessed: 23.09.2022).
NT-MDT (2021).URL: http://www.ntmdt-tips.com/catalog/gratings/ afm_cal/products.html (Last accessed: 23.09.2022). 16. Plath A. (2022). Atomic Force Microscopy (AFM) in Scanning electron microscopy (SEM): Innovation combines both technologies in real-time. BioTrib (Apr. 28 2022).
URL: https://biotrib.eu/atomic-force-microscopy-afm-in-scanningelectron-micro. (Last accessed: 23.09.2022).
Schonberg W. P. (1992). Aluminum 2219-T87 and 5456-H116: A comparative study of spacecraft wall materials in dual-wall structures under hypervelocity impact. Acta Astronautica, 26 (11), 799-812.
https://doi.org/10.1016/0094-5765(92)90061-M
Skoryna E., Medyanyk V., Bondarenko M., et al. (2018). The investigation of the nanoreliefs of optical elements of measuring instruments, which modified by electron-beam microprocessing. Innovations, 1, 30-33.
Tachikawa S., Nagano H., Ohnishi A., et al. (2022). Advanced passive thermal control materials and devices for spacecraft: A review. Int. J. Thermophys., 43, 91.
https://doi.org/10.1007/s10765-022-03010-3
West P. (2013). Introduction to atomic force microscopy: Theory, practice and applications.
URL: http://www.AFMUniversity. org/ (Last accessed: 23.09.2022).
Wiesendanger R. (1994). Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy. Cambridge, UK: Univ. Press, 625 p.
https://doi.org/10.1017/CBO9780511524356
Zhong F., Changhe H., Danylyuk Yu., Auner G. (2000). Development of an AlN deep UV detector for space application. MRS Proceedings, 639 p.
