Department of Physical and Mechanical Properties Research


                   www.nanoscan.info


Department Head, Dr. A. Useinov

MAIN AREAS OF RESEARCH

  • Development of the novel approaches to measuring the physical and mechanical properties of materials in the nanoscale. Designing the original measurement methods and instrumentation.
  • Development of the metrological base to provide the uniformity of measurements for the physical and mechanical quantities at different scale levels.
  • Establishing the metrology systems and regulations to ensure the traceability for certification of the composition, structure and properties of the structural and functional nanomaterials, mechanical and tribological properties of nanomaterials and nanotechnology products.
  • Comprehensive study of the physical and mechanical properties of different types of materials, including novel superhard materials, structural nanomaterials, thin films and coatings, diamonds and diamond powders.

THE APPLIED TECHNIQUES

Scanning probe microscopy:
- Topography, roughness
- Map of mechanical irregularities
- Profilometry

Indentation/scratching:
- Microhardness
- Nanohardness
- Elastic modulus (Young's modulus)
- Degree of elastic recovery
- Adhesion
- Map of hardness
- Microconstruction stiffness
- Mechanical nanolithography
- Fracture toughness, strength, adhesion and thickness of thin films

Surface topography research with a high spatial resolution by the optical and scanning probe microscopy.

Mapping of the elastic modulus, local conductivity and electrical impedance in the nanometer resolution.

Study of the physical and mechanical properties of the bulk samples of materials, including measurements of density, microhardness and fracture toughness.

Metallographic studies.

Investigation of the physical and mechanical properties of superhard material powders, including such characteristics as grain size and morphology, static and dynamic strength parameters, abrasive power, thermal resistance, and magnetic properties.

Sample surface preparation in a wide range of hardness values (0.5-50 GPa) for metallographic studies.

EQUIPMENT FOR MECHANICAL TESTING


1. NANOSCAN 3D Scanning Nanoindenter

The Department develops and produces NanoScan Scanning Nanohardness Testers that combine the abilities of classic nanoindenters and scanning probe microscopes, with a range of additional features.



2. INTEGRA PROBE NANOLABORATORY

integra

3. DURASCAN OPTICAL MICROSCOPE

durascan



NANOSCAN MEASUREMENT TECHNIQUES


  • Surface topography images captured by scanning with a 1.5 nm step in the scanning field up to 100 µm.


A 3D image of the surface topography of polycristalline SiC.


  • Mapping of the elasticity modulus with nanometer-scale resolution.


Superpure polycrysralline Nb (99.99%).
Surface topography.
 

A map of elasticity modulus.


  • Elastic modulus measuring by nanoidentation and force spectroscopy (by the dependence of the probe oscillation frequency on the indenter penetration depth). Диапазон измеряемых значений модуля упругости от 1 до 1000 ГПа.


  • Hardness measurement by microindentation, nanoindentation, and sclerometry followed by surface scanning in the indentation area. Диапазон измеряемых значений твердости от 0,1 до 80 ГПа.


Image of the imprint on a steel surface.
Max load is 10 g.


  • Mapping of local conductivity and electrical impedance. This mode is used in complex research of materials intended for micro- and nanoelectronics, and multilayer nanostructures.


Film structure of gold on a silicon substrate.
Surface topography.
 



Map of local conductivity.


  • Measurement of the hardness, elasticity modulus, crack resistance, strength, adhesion, and thickness of thin films.



19 nm titanium film
on a silicon oxide substrate.

A distinctive feature of the device is the use of special probes with synthetic diamond (superpure and doped) indentors, as produced by TISNCM.



All of the original techniques employed in “NanoScan” are patented in the Russian Federation.

Devices of the “NanoScan” family are used in the leading scientific research institutions in both Russia, e.g. IMET n.a. Baikov, Moscow State Technical University n.a. N.E. Bauman , All-Russian Scientific Research Institute of Metrological Service, Moscow Institute of Physics and Technology, Moscow Institute of Steels and Alloys, “Prometey”, and abroad, e.g. institutes in the USA, Germany, Belarus, and Taiwan.


PUBLICATIONS OF THE LABORATORY STAFF

JOURNAL ARTICLES

Комплексное исследование физико-механических и трибологических свойств сверхтонких гальванических покрытий
А.С. Усеинов, К.С. Кравчук, А.А. Русаков. Мир гальваники № 3/2011

Preparation and microstructure, elasticity and hardness investigation of al-alloy/nanodiamond composite
Prokhorov V., Kulibaba V., Korobov A., Stavrev S., Kolev S. MTM № 11/2011

Об унификации определения твёрдости и возможности перехода при её измерении к размерным величинам
К.В. Гоголинский, В.Н. Решетов, А.С. Усеинов. Измерительная техника № 7/2011

Измерение износостойкости сверхтонких наносруктурированных покрытий
А.С. Усеинов, К. Кравчук, Н. Львова. Наноиндустрия № 4/2011

Измерения твёрдости в субмикро- и нанометровом диапазонах линейных размеров
К.В. Гоголинский, В.Н. Решетов, А.С. Усеинов. Мир измерений № 8/2010

Измерение механических свойств методом царапания
А.С. Усеинов, С.С. Усеинов. Наноиндустрия № 6/2010

Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий
К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов. Наноиндустрия № 5/2010

Измерение механических свойств материалов с нанометровым пространственным разрешением
С.С. Усеинов, В.В. Соловьев, К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов, Н.А. Львова. Наноиндустрия № 2/2010

Mutual consistency of hardness testing at micro- and nanometer scales.
Useinov A., Gogolinskiy K., Reshetov V., International Journal of Materials Research – vol. 2009, No. 7 – 2009 – p.968

Особенности применения метода наноиндентирования для измерения твердости на наномасштабе.
Усеинов С.С., Соловьев В.В., Львова Н.А., Гоголинский К.В., Усеинов А.С., Кулибаба В.Ф., Петржик М.И. Нанотехника, №1 2008.

Микроконтроллерная система управления сканирующим зондовым микроскопом “НаноСкан”.
Круглов Е.В. Нанотехника, №1 2008.

Исследование и модифицирование полупроводниковых структур алмазными токопроводящими зондами.
Сошников А.И. Нанотехника, №1 2008.

Investigation of Specificity of Mechanical Properties of Hard Materials on Nanoscale with Use of SPM- Nanohardness Tester. N.A. Lvova, V.D. Blank, K.V. Gogolinskiy, V.F. Kulibaba. Journal of Physics: Conference Series 61 (2007) 724–729

Применение сканирующих зондовых микроскопов и нанотвердомеров для изучения механических свойств твердых материалов на наноуровне (обобщающая статья). К.В.Гоголинский, Н.А.Львова, А.С.Усеинов. “Заводская лаборатория. Диагностика материалов” №6. 2007 г. Том 73. стр.28 – 36
Определение трещиностойкости хрупких сверхтвердых материалов на наноуровне. А.И. Сошников, Н.А. Львова, К.В.Гоголинский, В.Ф. Кулибаба. Нанотехника, 2006, №1, с.64-67.

Influence of substrate materials on the properties of CdTe thin films grown by hot-wall epitaxy. Ye. Bilevych, A. Soshnikov, L. Darchuk, M. Apatskaya, Z. Tsybrii, M. Vuychik, A. Boka, F. Sizov, O. Boelling, B. Sulkio-Cleff. Journal of Crystal Growth 275 (2005)

Измерение модуля Юнга сверхтвердых материалов с помощью сканирующего зондового микроскопа “НаноСкан”. А.С.Усеинов. Приборы и техника эксперимента, 2003, №6, с.1-5.

Elastic Properties of Dense Nanotube Layers. S. Grudzinskaya, Z. Ya. Kosakovskaya, V. N. Reshetov, A. A. Chaban. Acoustical Physics, Vol. 47, No. 5, 2001, pp. 548-551.

Mechanical properties of different types of diamonds. V.Blank, M.Popov, G. Pivovarov, N.Lvova, S.Terentev. Diamond and Related Materials 8 (1999), pp. 1531-1535.

Hard diamond-like layers produced during DIII-D tokamak operations. V. Denisov, L. Kuzik, N.Lvova et al. Physics Letters A 239 (1998), pp.328-331.

Ultrahard and superhard phases of fullerite C60: Comparison with diamond on hardness and wear. V.Blank, M.Popov, G.Pivovarov, N.Lvova, K.Gogolinsky, V.Reshetov. Diamond and Related Materials 7 (2-5) (1998), pp. 427-431.

Применение сканирующих зондовых микроскопов для анализа с субмикронны и нанометровым разрешением структуры и распределения механических свойств материалов (обзор). Гоголинский К.В., Решетов В.Н. Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 1998, № 6, Т.64, с.30-43.

Nano-sclerometry measurements of superhard materials and diamond hardness using scanning force microscope with the ultrahard fullerite C60 tip. V.Blank, M.Popov, N.Lvova, K.Gogolinsky, V.Reshetov. J. Mater. Res., 12 (1997), 3109.


CONFERENCE MATERIALS

In situ evaluation of pile-ups height during scratch hardness test.
A. Useinov.
Nanomechanical testing in materials research and development. Canary Islands, Spain, 2011

Характеризация биологических объектов с использованием сканирующей зондовой микроскопии и наноиндентирования.
К.С. Кравчук, Ю.Н. Науменко, С.С. Усеинов, А.С. Усеинов.
2-я международная школа “Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина”, Москва, 2011

Instrumented indentation testing with a series of pyramid indenter geometries.
A. Useinov.
International Indentation workshop 4. Seoul, Korea, 2011

Методы и средства исследования механических и электрических свойств субмикронных и нанометровых пленок и покрытий.
К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов, К.С. Кравчук.
10-я Международная конференция “Пленки и покрытия”-2011. Санкт-Петербург, 2011

Методические и метрологические аспекты измерения твердости материалов на нанометровом масштабе.
С.С. Усеинов, К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов.
4-я школа “Метрология и стандартизация в нанотехнологиях в наноиндустрии. Функциональные наноматериалы”. Новосибирск, 2011

Методы измерения механических свойств материалов с нанометровым разрешением и их метрологическое обеспечение.
С.С. Усеинов, В.В. Соловьев, К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов, Н.А. Львова.
Труды научной сессии НИЯУ МИФИ -2010.

Измерение механических свойств сверхтвердых алмазоподобных углеродных покрытий.
К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов, В.Н. Решетов.
“Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология”. Владимир, 2010 г.

Исследование алмазоподобных углеродных плёнок методами комбинационного рассеяния света и наноиндентирования.
А.Н. Кириченко, В.Н. Денисов, В.Д. Бланк, Б.Н. Маврин, Е.А. Виноградов, К.В. Гоголинский, А.С. Усеинов.
“Наноструктурные материалы -2010″. Киев, 2010 г.

Measurement of Young’s modulus and electrical conductivity of materials during surface scanning.
Reshetov V., Useinov A., Gogolinsky K., Useinov S., Ganziy D.
Nanomeasure, 2010 г.

Mechanical testing techniques: from micro- to nanometer scales as investigated with scanning nano-hardness tester “NanoScan-3D”.
Useinov A., Gogolinsky K., Useinov S., Reshetov V., Soloviev V.
European conference on nano-destructive testing, 2010 г.

Characterization of TiAIN coatings.
Denisov V., Mavrin V., Blank V., Vinogradov E., Kirichenko A., Polyakov S., Gogolinsky K., Useinov A.
European conference on nano films, 2010 г.

Новый подход к изучению упруго-пластической деформации материалов методом склерометрии (царапания) на микро и наномасштабе.
С.С. Усеинов, А.С. Усеинов, А.С. Сошников, К.В. Гоголинский.
VI Всероссийская конференция “Механика микронеоднородных материалов и разрушение”. Екатеринбург, 2010 г.

Об унификации определения твердости и возможности перехода при ее измерениях от шкал порядка к шкале отношений.
А.С. Усеинов , К.В. Гоголинский.
Второй международный симпозиум “Механометрика – 2010″

Measurement of young’s modulus and electrical conductivity of materials during surface scanning.
V.N. Reshetov, D. Ganzy, K.V. Gogolinsky, A.S. Useinov.
Nano Measure Scientific Symposium – 2010

Characterization of diamond-like carbon (DLC) films.
V.N. Denisov, B.N. Marvin, V.D. Blank, E.A. Vinogradov, A.N. Kirichenko, K.V. Gogolinsky, A.S. Useinov.
European conference on nano films – 2010

Обеспечение единства измерений геометрических и механических свойств материалов в нанометровом диапазоне с помощью сканирующего зондового микроскопа “НаноСкан-3D”.
В.В. Соловьев, Н.А. Львова, К.В. Гоголинский. 
Научная сессия НИЯУ МИФИ – 2010 г. Аннотации докладов. В 3 томах. Т.2. Нанофизика и нанотехнологии.

The experimental study of the perimeter plastic deformation during scratch hardness test.
Useinov A., Gogolinsky K., Reshetov V., Nanomechanical testing in materials research and development – Barga, Italy – 2009 Proceedings

Измерение твердости с нанометровым пространственным разрешением.
Материалы научно-технического семинара “Актуальные направления развития измерений твердости”.ГНЦ РФ “Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений”, Менделеево-2009 г.

Особенности применения различных методик измерения твердости на наномасштабе.
Усеинов А.С., Гоголинский К.В., Усеинов С.С. Тезисы IV Российской научно-технической конференции, г. Екатеринбург, 2009 г.

Измерение твердости гетерогенных материалов с нанометровым пространственным разрешением.
Гоголинский К.В., Решетов В.Н., Усеинов А.С. Научная сессия МИФИ – 2009

Mutual consistency of mechanical testing at micro- and nanoscale. A. Useinov, K. Gogolinskiy, V. Reshetov. 9th European Symposium on nano-mechanical Testing, 2008

Особенности измерения механических свойств сверхтвердых материалов на наномасштабе.
С.С. Усеинов, Соловьев В.В., Львова Н.А., Гоголинский К.В., Усеинов А.С. Материалы Международной научной конференции “Наноструктурные материалы – 2008: Беларусь-Россия-Украина”.

Методы выявления и изучения свойств микроразмерных областей неоднородности в кристаллах на примере полосчатой структуры лангаситов.
Колдаева М.В., Усеинов А.С., Григорьева М.С., Виноградов А.В., Просеков П.А., Писаревский Ю.В. Материалы XIII Национальной конференции по росту кристаллов, 2008.

Применение сканирующего нанотвердомера “НаноСкан” для исследования механических свойств на наномасштабах.
Усеинов А.С. Материалы конференции 1-ая Школа “Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии. Наноматериалы”, 2008.

Измерительная система “НаноСкан”: от микротвердости к нанотвердости.
Гоголинский К.В., Решетов В.Н.. Усеинов А.С. Материалы Всероссийской научно-технической конференции “Механометрика”, г. Суздаль, 2008.

Вольт-амперная и вольт-фарадная спектроскопия полупроводниковых структур токопроводящими алмазными зондами СЗМ. А.И. Сошников, К.В. Гоголинский, В.Н. Решетов. Материалы XV Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, 2007 г.

Применение сканирующих зондовых микроскопов для измерения механических свойств твердых и сверхтвердых материалов на наноуровне. В.Д. Бланк, К.В. Гоголинский, М.И. Петржик, А.С. Усеинов. Материалы XIV Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел, 2005 г.

Современные методы оценки механических и трибологических свойств функциональных поверхностей. М.И. Петржик, Д.В. Штанский, Е.А. Левашов. Материалы Х Международной научно-технической конференции “Высокие технологии в промышленности России”, 2004.


ESSAYS

Орбитали зондовой микроскопии.

“Вокруг света”, №6 (2777) | Июнь 2005, рубрика «Ярмарка идей»

Нанотехнологии, или Атомы вместо гвоздей.

“Вокруг света”, №4 (2799) | Апрель 2007, рубрика «Ярмарка идей»

Имитация кимберлита.

“Вокруг света”,№2 (2785) | Февраль 2006, рубрика «Ярмарка идей»

Бриллиантовая точность нанотехнологий.
“Наноиндустрия” №4(61) – 2009 – с.46

Нам нано очень надо!
“Аргументы и факты” №22, 2009 г.

Алмазы для украшений и измерений.
“Наука и жизнь” №2, 2009 г.