หลักการทำงานของโหมด Nanoindentation ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM Nanoindentation Mode)
AFM Nanoindentation เป็นโหมดการวัดเชิงกลของ Atomic Force Microscopy (AFM) ที่ใช้สำหรับวิเคราะห์คุณสมบัติทางกลของวัสดุในระดับนาโน เช่น ค่าความแข็ง (Hardness), โมดูลัสยืดหยุ่น (Elastic Modulus), และ พฤติกรรมการเสียรูปของพื้นผิว (Deformation Behavior) โดยใช้ปลายหัววัดของ AFM ทำหน้าที่เป็นหัวกดขนาดนาโน (indenter) เพื่อกดลงบนพื้นผิวของตัวอย่างอย่างแม่นยำสูง
หลักการทำงานของ AFM Nanoindentation
การทำงานของโหมดนี้อาศัยการควบคุมแรงและการวัดการเปลี่ยนแปลงของการโก่งตัวของ cantilever ที่เกิดขึ้นขณะปลายหัววัดสัมผัสและกดลงบนพื้นผิว เริ่มต้นการสัมผัส (Approach Phase) ปลายหัววัด (tip) จะค่อย ๆ เคลื่อนเข้าหาพื้นผิวจนเกิดแรงปฏิสัมพันธ์เชิงกลระหว่างหัววัดและตัวอย่าง ระบบจะตรวจจับแรงที่เริ่มเกิดขึ้นผ่านการโก่งของ cantilever
การกด (Indentation Phase)
หัววัดจะถูกกดลงบนพื้นผิวของตัวอย่างในทิศทางแกน Z ภายใต้แรงที่ควบคุมได้อย่างละเอียด ขณะกดลง ระบบจะบันทึกค่าการโก่งตัว (deflection) และตำแหน่งการเคลื่อนที่ของหัววัด เพื่อสร้างกราฟความสัมพันธ์ระหว่างแรง (Force, F) และการเคลื่อนที่ (Indentation Depth, δ) การถอนหัววัด (Retraction Phase) หลังจากกดถึงแรงหรือความลึกที่กำหนดไว้แล้ว หัววัดจะค่อย ๆ ถอนออกจากพื้นผิว ระหว่างกระบวนการนี้จะสามารถสังเกตเห็นพฤติกรรมการคืนรูปของวัสดุ (Elastic Recovery) หรือการเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) จากกราฟ Force–Distance Curve
การวิเคราะห์ข้อมูล
กราฟ Force–Indentation Curve ที่ได้จากการทดลองจะถูกนำมาวิเคราะห์ด้วยสมการทางกลศาสตร์ เช่น Hertzian contact model หรือ Oliver–Pharr method เพื่อคำนวณค่าพารามิเตอร์เชิงกลของวัสดุ เช่น
- Elastic Modulus (E) — ความสามารถของวัสดุในการคืนรูปหลังจากรับแรงกด
- Hardness (H) — ความต้านทานของวัสดุต่อการกดหรือการเสียรูปถาวร
- Adhesion Force — แรงยึดเกาะระหว่างหัววัดและพื้นผิว
- Plastic/Elastic Ratio — สัดส่วนการเสียรูปแบบถาวรต่อแบบยืดหยุ่น
ข้อดีของการใช้ AFM Nanoindentation
- ใช้หัววัดขนาดนาโน ทำให้สามารถวัดเฉพาะจุด (localized measurement) ได้ละเอียดระดับนาโนเมตร
- ต้องการตัวอย่างขนาดเล็กมาก และไม่ต้องเตรียมพื้นผิวซับซ้อน
- สามารถทำการวัดร่วมกับภาพ topography เพื่อเชื่อมโยงคุณสมบัติเชิงกลกับโครงสร้างพื้นผิวได้โดยตรง
- ใช้แรงกดได้ตั้งแต่ระดับ นาโนนิวตัน (nN) ถึง ไมโครนิวตัน (μN) ทำให้เหมาะกับวัสดุหลากหลาย ตั้งแต่พอลิเมอร์ ฟิล์มบาง ไปจนถึงเซรามิกและโลหะ
การประยุกต์ใช้งาน
เทคนิค AFM Nanoindentation ถูกนำไปใช้ในงานวิจัยและอุตสาหกรรมหลากหลาย เช่น
- การวัดความแข็งของ thin films และ coatings
- การวิเคราะห์คุณสมบัติทางกลของ polymer blends, biomaterials, และ hydrogels
- การประเมินความแข็งแรงของ nanocomposites
- การศึกษาการเสียรูปของ microelectronic materials และ semiconductors
- การวิเคราะห์การยึดเกาะของพื้นผิว (adhesion mapping)
โหมด Nanoindentation ใน AFM เป็นเทคนิคที่ผสานความแม่นยำของการควบคุมแรงระดับนาโนเข้ากับการตรวจวัดเชิงกลของวัสดุอย่างละเอียด สามารถวิเคราะห์สมบัติทางกลของวัสดุในพื้นที่เฉพาะจุดได้โดยไม่ทำลายตัวอย่าง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษาวัสดุสมัยใหม่ในระดับนาโน เช่น ฟิล์มบาง วัสดุนาโน และโครงสร้างชีวภาพ ซึ่งต้องการการวัดที่ละเอียด อ่อนโยน และแม่นยำสูง