Важный тип карт кривых основан на данных в формате сила-расстояние, снятых в узлах правильной сетки. Все основные производители СЗМ предлагают какой-то из режимов для получения подобных данных, в то время как основной целью является картирование механических свойств образца. В Gwyddion этот тип данных может быть представлен как карты кривых.
В этом разделе мы описываем модули, которые можно использовать для работы с картами кривых сила-расстояния, а также даём пример последовательности действий, которые приводят к получению количественных результатов по наномеханическим свойствам образца на основе измеренных данных.
Следует отметить, что для большей части обсуждаемых модулей важно использовать карты кривых которые уже сегментированы. Это означает, что выделены участки подвода и отвода на кривых, либо уже приходя размеченными с прибора, либо будучи размеченными в Gwyddion используя модуль сегментации. Следует также отметить, что модуль предполагает что зависимая переменная это расстояние от зонда до поверхности - и она будет отрицательной для части кривой, соответствующей индентации образца и положительной в той части кривой, где зонд не касается образца, как показано на снимках экрана в данном разделе.
→
Этот модуль аппроксимирует заданную часть кривой сила-расстояние полиномом определенной и затем вычитает его из всей кривой. Это делается для каждого пикселя и может использоваться для удаления некоторого нежелательного фона из нулевой линии (части данных, где зонд находится далеко от поверхности). Параметры и используются чтобы задать зависимую и независимую переменные, которые будут обычно в какой-то степени зависеть от расстояния между зондом и поверхностью для и в какой-то мере зависеть от силы для . Аппроксимация может быть ограничена определенным заданным . Диапазон аппроксимации задаётся в процентах, таким образом, он пересчитывается для каждого пикселя исходя из длины кривой, независимо от абсолютного смещения кривых.
→
Модуль аппроксимирует заданную часть кривой сила-расстояние синусоидальной функцией и затем вычитает её из всей кривой. Это делается для каждого пикселя и может использоваться для удаления нежелательного фона относящегося к влиянию интереференции с нулевой линии (которая представляет собой часть данных где зонд находится далеко от поверхности). Параметры и используются чтобы задать зависимую и независимую переменные, которые будут обычно в какой-то степени зависеть от расстояния между зондом и поверхностью для guimenu>Абсциссы
→
Модуль выполняет преобразование независимой переменной на кривых сила-расстояние от величин, отнносящихся к Z-пьезо (обычно в ПО микроскопов она называется z-pieso, height, высота, и т.п.) к расстоянию между зондом и образцом, здесь и далее эта величина будет называться расстояние. Это учитывает влияние ограниченной жесткости кантелевера, который отклоняется в ходе снятия данных в формате сила-расстояния. Вот почему модуль требует ввести Жесткость кантелевера. Это значение иногда можно найти в метаданных, а иногда можно получить из другого эксперимента. Чем ниже жесткость кантелевера, тем больше её влияние на кривую. Очень низкое значение может даже так изменить наклон кривой, что он станет нереалистичным.
Данные, получаемые с различных приборов, могут использовать разные варианты ориентации оси Z и опция Входная Z может использоваться, чтобы это отразить. Задача состоит в том, чтобы сориентировать силовую кривую таким образом, что максимум силы будет расположен слева, т.е. ось X графика будет расстоянием между зондом и образцом, которое будет отрицательным когда зонд вдавлен в образец.
Эффект от повышения жесткости кантелевера, связанный с углом между балкой кантелевера и плоскостью поверхности образца может быть добавлен в модель используя параметр наклон кантелевера. Если единицы данных для силы представлены как Вольты, параметр Чувствительность детекции автоматически активируется может использоваться для конвертации данных в значения силы.
→
Этот модуль производит автоматический расчёт простых механических свойств из карт кривых сила-расстояние. Пользователь может ввести диапазоны, на которых будут рассчитываться базовая линия (линия нуля или нулевая линия) и часть, соответствующая отводу, а также от него потребуется ввести Радиус зонда и Соотношение Пуассона. Правильные кривые должны быть выбраны из набора данных в каждой точке, также требуется выбрать правильные сегменты. Эти настройки, однако, запоминаются, таким образом, если обрабатываются однотипные данные, нет нужды вводить эти параметры каждый раз.
Адгезия рассчитывается как сила между минимальным значением на кривой отвода и средним значением на выбранной части базовой линии. Деформация соответствует длине части, соответствующей отталкиванию, на кривой подвода, т.е. она является расстоянием между положением, в котором сила стала равна нулю после того, как произошел перескок в режим контакта и положением максимальной силы. Абсолютная величина DMT (модуля Юнга в модели Derjaguin-Muller-Toporov) определяется аппроксимацией выбранной части кривой отталкивания. Работа сил рассеяния рассчитывается как разница между интегралами под кривой подвода и отвода.
Можно выбрать какие из этих значений будут выводится в виде массивов и дать модулю рассчитать значения в каждом пикселе используя кнопку Аппроксимировать.
В конце будет получен набор полей данных, соответствующих пространственным распределениям результатов по поверхности.
Для того, чтобы проиллюстрировать всю процедуру получения результатов расчёта наномеханики из карт кривых сила-расстояние мы покажем в деталях пример того, как можно комбинировать различные модули.
Данные, используемые в данном примере были получены на системе Park Systems в режиме PinPoint, используя кантелевер SD-R30-FM. Образец сформирован двумя смешанными полимерами. Входной файл доступен для скачивания. Поскольку карты кривых всегда налагают высокие требования на объём доступной оперативной памяти, мы настоятельно рекомендуем использовать 64битные версии программы и операционной системы для работы с ними.
Чтобы проделать это шаг за шагом и получить такой же результат, как представлен в уже обработанном файле, должна быть проведена следующая процедура:
- Нажатием правой кнопкой мыши в окне данных, откройте браузер метаданных и запишите значение forceConstant, которое в данном эксперименте задаёт жесткость кантелевера.
- Добавьте сегментирование к данным используя модуль Разделить на сегменты. Используйте режим сегментации Подвод/Отвод и кривую ZHeight. Тип вывода должен быть 'Пометить'.
- Используйте модуль Конвертировать кривую FZ в FD чтобы убрать влияние жесткости кантелевера с данных, т.е. преобразовать высоту основания кантелевера в расстояние между зондом и образцом. Мы будем здесь использовать жесткость кантелевера. Следует заметить, что она отличается от спецификации поставщика зондов, следовательно она скорее всего была измерена в ходе эксперимента, что является важным шагом к количественным измерениям. Выберите ZHeight в качестве Абсциссы, Force в качестве Ординаты и Height в качестве входного Z.
- Рассчитайте результаты используя модуль Наномеханическая аппроксимация, используя показанные ниже настройки : В этом модуле можно пересчитать и предварительно посмотреть отдельные каналы. После нажатия кнопки OK, вы должны получить набор изображений, представляющих пространственное распределение различных параметров наномеханики.
