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Flächenfunktion


Flächenfunktion einer Berkovich-Spitze mit 260 nm Spitzenradius als Wurzel der Fläche über der Kontakttiefe. In dieser Darstellung kann man die Abweichung von der Idealform besonders gut erkennen. Die Übereinstimmung der Ergebnisse für Quarzglas und Saphir ist exzellent.
Für genaue Messungen ist es erforderlich die Flächenfunktion der Prüfspitze zu bestimmen und ihre Richtigkeit permanent zu prüfen, denn auch Diamant verschleißt mit der Zeit.

Die Norm DIN EN ISO 14577-2 Anhang C unterscheidet zwischen direktem und indirektem Kalibrierverfahren.

Bei dem direkten Verfahren wird die Prüfspitze mit einem anderen Gerät, meistens mit einem Atomkraftmikroskop (AFM), abgetastet und daraus die projizierte Fläche in Abhängigkeit vom Abstand zur äußersten Spitze ermittelt. Weil dafür ein weiteres hochgenaues Messgerät erforderlich ist, wird dieses Verfahren selten eingesetzt.

Beim indirekten Verfahren wird die projizierte Fläche anhand von Eindring-Messungen an einem Referenzmaterial mit genau bekanntem E-Modul und Poissonzahl ermittelt. Das Referenzmaterial soll außerdem eine geringe Rauheit und eine gute Homogenität haben und möglichst keinen pile-up oder sink-in Effekt aufweisen. Meist wird dafür Quarzglas verwendet.

Das Ergebnis für die Flächenfunktion darf nicht materialabhängig sein. Die einzige Möglichkeit dies zu überprüfen ist die Messung an einem weiteren Referenzmaterial mit deutlich unterschiedlichem E-Modul. Beim ZHN wird dafür Saphir Einkristall verwendet. Für beide Materialien müssen die Flächenfunktionen übereinstimmen.

Die Software des ZHN ist als einzige Software für den Vergleich der Ergebnisse von zwei verschiedenen Referenzmaterialien vorbereitet. Dieser Vergleich erlaubt zusätzlich die Bestimmung der Gerätesteifigkeit oder -nachgiebigkeit mit derselben Prozedur. Außerdem werden radiale Verschiebungskorrektur und variabler Epsilon-Faktor standardmäßig verwendet.




Ausschnitt aus der Berkovich-Flächenfunktion für die äußersten 80 nm. Der Fit der Flächenfunktion für wenige Nanometer Eindringtiefe noch sehr genau.

 


Rein elastische Messkurven von Quarzglas und Saphir für die Kalibrierung der Flächenfunktion für einen Kugelindenter mit nominal 5 µm Radius.



Flächenfunktion für einen Kugelindenter mit Daten von Quarzglas und Saphir. Die Übereinstimmung ist exzellent. Die Spitze ist am äußersten Ende abgeflacht mit einem Radius von etwas über 6 µm. Für größere Tiefen liegt der Radius dichter an dem Sollwert von 5 µm.

 


Effektive Radiusfunktion für einen Kugelindenter. Anstelle der Fläche wird hier der effektive Radius berechnet bei dem eine ideale Spitze mit konstantem Radius die gleiche Eindringtiefe ergeben würde (ohne Indenterdeformation). Die Ergebnisse für Quarzglas und Saphir stimmen sehr gut überein.


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