AFM und Nanoindentation für die Oberflächenanalyse

Die Kombination von Rasterkraftmikroskopie und Nanoindentation verknüpft Oberflächentopografie mit lokalen mechanischen Kennwerten. So lassen sich heterogene Werkstoffe bis in den Nanometerbereich detailliert charakterisieren.

Durch die Verknüpfung von Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscope) und Nanoindentation lassen sich mechanische Eigenschaften und Oberflächenstrukturen direkt korrelieren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die hochauflösende Charakterisierung heterogener Werkstoffe.

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) ist ein etabliertes Verfahren zur Untersuchung von Oberflächenstrukturen im Nanometermaßstab. Im Gegensatz zur optischen Mikroskopie wird die Oberfläche dabei nicht durch Licht, sondern durch eine nanoscharfe Messspitze erfasst. Diese tastet die Probe zeilenweise ab und ermöglicht so die dreidimensionale Darstellung selbst kleinster Strukturen. Die Methode eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die Oberflächenmerkmale deutlich unterhalb der Auflösungsgrenze optischer Systeme liegen.

In Verbindung mit Nanoindentationsprüfungen ist die Rasterkraftmikroskopie besonders leistungsfähig. Während die Nanoindentation mechanische Kennwerte wie Härte und Elastizitätsmodul ermittelt, liefert das AFM detaillierte Informationen über die tatsächliche Eindruckgeometrie. So ist es möglich, Materialaufwürfe, Einsinkeffekte, plastische Verformungen oder Mikrorisse direkt zu untersuchen.

Für die Untersuchung wurde auf einer polierten Schieferprobe eine Matrix aus 60 × 50 Nanoindentationen mit einem Abstand von jeweils einem Mikrometer erzeugt. Die maximale Prüfkraft betrug 5 mN. Das Ziel der Untersuchung war die Ermittlung der lokalen Härteverteilung innerhalb verschiedener mineralischer Phasen.

Die anschließende AFM-Untersuchung bestätigt die Ergebnisse der Härtekartierung und liefert weitere Informationen zur Oberflächentopografie. Aufgrund des typischerweise unter 20 nm liegenden Spitzenradius können selbst kleinste Eindruckstellen zuverlässig vermessen werden. Darüber hinaus ermöglicht der Tapping-Modus die Erzeugung von Phasenkontrastbildern.

Die Kombination aus Rasterkraftmikroskopie und Nanoindentation ermöglicht eine hochauflösende Charakterisierung von Oberflächen sowie von lokalen Materialeigenschaften im Nanometerbereich. Insbesondere bei heterogenen Werkstoffen erlaubt diese Verknüpfung neue Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und mechanischem Verhalten. (OM-8/26)