Learning Center
Plans & pricing Sign in
Sign Out

Nano-Indentation Tester - Laboratories for Radiation and



            Lecture 1
Introduction of Nano Science and 
        Nano Technology
A Nano Lecturer
Understanding Nanotechnology
                Nanotechnology Sensitization Program
    According to the National Science 
    Foundation (USA), “Nano-related 
business could be a $1 trillion market by 
   2015, making it not only one of the 
 fastest growing industries in history but 
      also larger than the combined 
  Telecommunications and Information 
 Technology industries at the beginning 
    of the technology boom in 1998.”

    According to the Nanotechnology 
 Victoria, estimates have been made of 
the number of new graduates needed by 
2015 in order to support Nanotechnology 
research based industry, and preliminary 
    figures indicate that over 1 million 
 Nanotechnology-skilled personnel may 
                be required.
            Nanotechnology Sensitization Program

•   According to the Nanotechnology Victoria, estimates have been made of the 
    number of new graduates needed by 2015 in order to support 
    Nanotechnology research based industry, and preliminary figures indicate 
    that over 1 million Nanotechnology-skilled personnel may be required.

•   Nanotechnology is an interdisciplinary domain, students from all the 
    disciplines, those who want to leverage their careers in various domains 
    including Pharma, IT, Electronics, Polymers, Healthcare, Medicine, Textile, 
    Automobiles, Telecom, Biotechnology, Chemicals, Food, Computing, R&D, 
    Marketing of products and training, etc. will come across Nanotechnology 
    applications in their respective streams.

•    Students can exploit their potential by applying Nanotechnology knowledge 
    in their current streams. 

•   Nano Science and Nano Technology Concersium(NSTC) has been running 
    the Nanotechnology Sensitization Program successfully and admissions to 
    the next batch of the program are invited. There is no restriction of 
    qualification and age for joining this program. Interested participants 
    namely, under-graduates/ graduates/ post-graduates in all disciplines, 
    experienced professionals, academicians and researchers may join.
                    Understanding Nanotechnology
Nanotechnology  is  not  difficult  to  understand.  Though  the  science  is  complex,  the  basic 
principles  are  not.  Newcomers  often  have  more  trouble  wrapping  their  minds  around  the 
concept  than  grasping  the  details.  The  coming  age  of  nanotechnology  might  best  be 
described  as  the  age  of  digital  matter,  for  it  will  be  a  time  in  which  it  becomes  possible  to 
manipulate the physical world in much the same way that a computer now manipulates the 
digital ones and zeroes on its hard drive.

Cell  phones  are  miniaturized  versions  of  traditional  landline  phones.  Wristwatches  are 
miniature versions of clocks. Desktop computers are miniature versions of the original analog 
calculating machines. Miniaturization is common place in today's world. In tomorrow's world, 
nano-tech will be the new common technology.
It  will  affect  everyone  on  the  planet,  and  may  change  civilization.  Nanotechnology’s 
involvement  with  the  materials  and  systems  of  nanoscale  size  whose  structures  and 
components  exhibit  novel  and  significantly  improved  physical,  chemical  and  biological 
properties, phenomena and processes. 

Structural  features  in the  range  of  about  10-9 to  10-7 m (1 to  100 nm) determine  important 
changes as compared to the behavior of isolated molecules (1 nm) or of bulk materials. New 
behavior  at  the  nanoscale  can  not  be  easily  predictable  from  that  observed  at  large  size 
scales.  Important  changes  in  behavior  are  due  to  new  phenomenon  such  as  size 
confinement,  predominance  of  interfacial  phenomena,  quantum  mechanics  and  coulomb 
blockade and also by magnitude size reduction. It is notable that all relevant phenomena at 
nanoscale are caused by the tiny size of the organized structure as compared to molecular 
scale, and by the interactions at their predominant and complex interfaces. 
As  we  will  be  able  to  control  feature  size,  we  can  enhance  material  properties  and  device 
functions beyond those that we currently know or even imagine.
             Understanding Nanotechnology
•   In future we can think of getting an injection of "smart" molecules that can 
    seek out cancer cells and destroy them without harming any of the 
    surrounding tissue. A simultaneous space launch via the shuttle of 
    thousands of robotic probes, each no bigger than an insect, and each 
    programmed to do a single task in concert with all of the others can be 
    thought of in future. Nanotechnology will provide the capacity to create 
    affordable products with dramatically improved performance. This will come 
    through a basic understanding of ways to control and manipulate matter at 
    the nanometer scale and through the incorporation of nanostructures and 
    nanoprocesses into technological innovations. It will be a center of intense 
    international competition when it lives up to its promise as a generator of 

•   Commercial inroads in the hard disk, coating, photographic, and 
    pharmaceutical industries have already shown how new scientific 
    breakthroughs at this scale can change production paradigms and 
    revolutionize multibillion-dollar businesses.

•   The science of atoms and simple molecules, on one end, and the science of 
    matter from microstructures to larger scales, on the other, are generally 
    established. The remaining size-related challenge is at the nanoscale where 
    the fundamental properties of materials are determined and can be 
    engineered. A revolution has been occurring in science and technology, 
    based on the recently developed ability to measure, manipulate and 
    organize matter on this scale
            Application of Nano Technology 
•   When nanotechnology will be in its mature form it is sure it will have 
    its  impact  upon  almost  every  industries  land  almost  every  area  of 
    society  from  communication  to  medicine,  from  agriculture  to 
    transportation and also in smarter living at home also. And because 
    of these implications only nanotechnology is also called as “general 
    purpose technology”. As a “general-purpose technology”, it will have 
    multiple uses, not only in commercial field as well as in defence field 
    too that will include making of far more powerful and better weapons 
    and equipments for infantry, air force and navy. Nanotechnology is 
    about  building  machines  at  the  molecular  level.  Machines  so  small 
    they can travel through our blood stream.

•   Nanotechnology  will  allow  making  high-quality  products  at  a  very 
    low cost, and also allow making new nanofactories at the same low 
    cost and at a very rapid speed. Nanotechnology offers not just better 
    products,  but  a  vastly  improved  means  of  production  for  e.g.  as 
    many  copies  of  data  files  as  we  want  can  be  taken  out  from  your 
    computer  at  a  very  or  no  cost.  With  time,  manufacture  of  products 
    will  become  as  cheap  as  the  copying  of  files.  So  this  is  what 
    nanotechnology  is,  and  so  it  is  often  seen  as  the  next  industrial 
    revolution. Nanoscale materials are used in electronic, magnetic and 
    optoelectronic,  biomedical,  pharmaceutical,  cosmetic,  energy, 
    catalytic and materials applications.
               Application of Nanotechnology 
•   The word nano we are talking about is not a smallest thing on the planet or 
    in  space.  The  protons,  neurons,  quarks,  leptons  and  neutrinos  are 
    considered  as  the  family  of  electrons  out  of  which  quarks  and  leptons  are 
    the  smallest  known  particles.  Protons,  neutrons,  pions,  quarks,  are  some 
    other sub-atomic particles are smaller than electrons. Nanotechnology is the 
    manufacturing of electronic circuits and mechanical devices by using these 
    particles that means working at molecular level, with takings every particle, 
    every  molecule  and  every  atom  in  concerned.  In  this  way  scientist  can 
    prepare  a  structure  and  material  that  will  have  absolutely  new 
    characteristics and function. It is about to emerge as a technology which is 
    a revolutionary, transformative, powerful, and potentially very dangerous or 
    beneficial technology called “The exponential technology”.

•   In  fact,  there  will  not  be  a  single  industry  that  will  not  be  changed  by 
    nanotechnological  applications.  Be  it  a  tennis  racquets  or  long-lasting 
    nanoparticle  tennis  balls.  A  foot  warmers,  athlete  skin  care  or  a  ski  wax. 
    Nanotechnology, nowadays is progressing towards the delivery system for 
    anti-cancer  drugs  at  the  same  time  research  is  going  on  to  develop 
    nanofibre which will help create blood vessels, help in treatment of vascular 
    diseases  and  in  heart  surgeries.  The  purpose  of  medical  devices  and 
    nanorobots traveling through the human body is essentially a positive one of 
    searching  out  and  destroying  clusters  of  cancer  cells  before  they  spread. 
    Scientists  are  also  working  towards  the  preparation  of  injectable 
    nanoparticles that will help as medication for treating alcoholism and other 
    related diseases. Because of this it is also called as the future technology.
          Application of Nanotechnology 
A lot of money is being invested in this field. In 2004, USA invested 
   more than $400 million into the research area of nanotechnology, 
   facilities, and business development programs and a lots more in 
     the area of publicity is being poured in. On a global scale, these 
 figures multiply exponentially. Even private firms are pumping up a 
    lot amount of money over two billon dollars a year along with the 
                 government in the field of nanotechnology.

       Lecture 2

 Nano-Indentation Tester 
   genel malzeme karakterizasyon 
• Spektroskopik Yöntemler : UV-Vis, FTIR, NMR, SIMS, 
  Raman, Kütle, Floresans, Luminesanas, AAS, EDS, 
  XPS(ESCA), Alev Emisuon Spek., XRD, ESR, Işık 
• Kromatografik Yöntemler : HPLC-GPC, HPLC-LC, GC, 
  Ince tabaka, Kağıt Kroma., CEF, Affinite Kromag., 
• Optik Yöntemler : EM, SEM, TEM, AFM-SPM
• Mekanik Analizler : Universal Testing Machine (Mekanik 
  Test Cihazı) , Sertlik, (ShoreA, B,C,…..G,H) Aşınma, 
  Çarpma, Vicat Cihazı, DMA
• Kalorimetrik Yöntemler : DSC, TGA, 
Zwick Z010 model Universal Testing Mechine
        Mechanical Test Instrument    
 Mechanical Properties of some materials
Tensile Strength        % Elongation to Break 

Young's Modulus              Toughness
What is Strength? 

But what does it mean to be strong? We have a very precise definition. 
Let's use tensile strength to illustrate. To measure the tensile strength 
of a polymer sample, we take the sample and we try to stretch it just 
like in the picture above. We usually stretch it with a machine such as 
an Instron. This machine simply clamps each end of the sample, then, 
when you turn it on it stretches the sample. While it is stretching the 
sample,  it  measures  the  amount  of  force  (F)  that  it  is  exerting.  When 
we  know  the  force  being  exerted  on  the  sample,  we  then  divide  that 
number  by  the  cross-sectional  area  (A)  of  our  sample.  The  answer  is 
the stress that our sample is experiencing. 
What is Strength? 

Then, using our machine, we continue to increase the amount of force, 
and stress naturally, on the sample until it breaks. The stress needed 
to break the sample is the tensile strength of the material. 
Likewise, one can imagine similar tests for compressional or flexural 
strength. In all cases, the strength is the stress needed to break the 
Since tensile stress is the force placed on the sample divided by the 
cross-sectional area of the sample, tensile stress, and tensile strength 
as well, are both measured in units of force divided by units of area, 
usually N/cm2. Stress and strength can also be measured in 
megapascals (MPa) or gigapascals (GPa). It's easy to convert between 
the different units, because 1 MPa = 100 N/cm2, 1 GPa = 100,000 N/cm2, 
and of course 1 GPa = 1,000 MPa. 
Other times, stress and strength are measured in the old English units 
of pounds per square inch, or psi. If you ever have to convert psi to 
N/cm2, the conversion factor is 1 N/cm2 = 1.45 psi.
Usually we talk about percent elongation, which is just the length the 
polymer sample is after it is stretched (L), divided by the original length of 
the sample (L0), and then multiplied by 100. 

There  are  a  number  of  things  we  measure  related  to  elongation.  Which  is 
most  important  depends  on  the  type  of  material  one  is  studying.  Two 
important things we measure are ultimate elongation and elastic elongation 

Ultimate  elongation  is  important  for  any  kind  of  material.  It  is  nothing  more 
than  the  amount  you  can  stretch  the  sample  before  it  breaks.  Elastic 
elongation  is  the  percent  elongation  you  can  reach  without  permanently 
deforming your sample. That is, how much can you stretch it, and still have 
the sample snap back to its original length once you release the stress on it. 
This is important if your material is an elastomer. Elastomers have to be able 
to  stretch  a  long  distance  and  still  bounce  back.  Most  of  them  can  stretch 
from 500 to 1000 % elongation and return to their original lengths without any 
         Mechanical Properties of some materials

    A material that is strong but not tough is said to be brittle. Brittle 
substances are strong, but cannot deform very much. Polystyrene (PS) is 
     brittle, for example. High impact polystyrene (HIPS), a blend of 
   polystyrene and polybutadiene (a rubbery polymer above its glass 
         transition temperature) is said to be rubber-toughened. 
Mechanical Properties of some materials
                  Mechanical Properties of some materials

                                           % Elongation-to-   Young's Modulus
  Material        Tensile Strength (MPa)
                                               Break              (GPa)
Stainless Steel
                          2,000              Very small             200
                         50 - 120              10 - 50               3
   Rubber                20 - 30              250 - 500          Very low
                       1400 - 2000               3-4                72
   Nylon53                 50                    150                 2
Principle Characteristics of Polymers
Principle Characteristics of Polymers
Principle Characteristics of Polymers
Principle Characteristics of Polymers
Principle Characteristics of Polymers
                 Nano-Indentation Tester 

                                 Features of the Nano-Indentation Tester 

                          Hardness & Young's modulus. 
                          Spherical, Vickers and Berkovich nano-indentations 
                          Dynamic Mechanical Analysis for visco-elastic 
                          Creep, fatigue & fracture toughness tests 
                          Mapping of indents. 
                          Optional High and Low Temperature Testing 
                          AFM/SPM objective for nanometer scale imaging of 
                          Nano Scratch, Micro Scratch and Micro Hardness   modules. 
Introduction to the Nano-Indentation Tester 

             Nano-Indentation Tester is a high
                 precision instrument for the
                 determination of the nano
                  mechanical properties of
             thin films, coatings and substrates.

              With a Nano-Indentation Tester
                you can quickly determine
              properties such as hardness and
              Young's modulus on almost any
               type of material - soft, hard,
                     brittle or ductile. 
         AFM probes part I

        § Cantilever and probe made of Si3Ni4
§ Square pyramidal shape with apex radius around 10-50
           § Cantilever length : 50-500µm
          § Spring constant ~0.1 - 0.7 N/m
       § Used both in air and liquid for contact
             § Used in liquid for tapping
             AFM probes part II

                                        Cones, spikes, blades for trenches

 § Monocrystalline silicon probes and cantilevers
§ Conical or pyramidal shape with apex radius of
                      5-10 nm
       § Cantilever length : 125-250 µm
     § Resonance frequency : 50-400 kHz
  § Various probes for specific applications BUT
                  really fragile !!!                     High-resolution
Introduction to the  Nano-Indentation Tester             
           Nano-Indentation Tester works on the following

           An indenter tip (Berkovich, Sphero-conical, Knoop or
           cube corner), normal to the sample surface, with a
           known geometry is driven into the sample by applying
           an increasing load up to some preset value.

           The load is then gradually decreased until partial or
           complete relaxation of the sample has occurred. The
           load and displacement are recorded continuously
           throughout this process to produce a load displacement
           curve from which the nano-mechanical properties such
           as hardness, Young's modulus, stress-strain studies time
           dependant creep measurement, fracture toughness,
           plastic & elastic energy of the sample material can be
           calculated. Nano Indentation Tester can be used in a
           mapping mode to take data automatically from a
           variety of locations on your sample. 
      General Applications Nano-Indentation Tester 
Semiconductor Technology          Wear Resistant Coatings 
   oPassivation Layers                oTiN, TiC, DLC 
   oMetallization                     oCutting Tools 
   oBond Pads                      Pharmacological 
Mass Storage                         oTablets and pills 
   oProtective coatings on            oImplants 
   magnetic disks                     oBiological tissue 
   oMagnetic coatings on disk      Automotive 
   substrates                         oPaints and polymers 
   oProtective coatings on CD's       oVarnishes and finishes 
Optical Components                   oWindows 
   oContact lenses                 General Engineering 
   oEye glass lenses                  oRubber resistance 
   oFibre Optics                      oTouch screens 
   oOptical scratch-resistant         oMEMS 
Decorative coatings 
   oEvaporated metal coatings 
         Specifications of the Nano-Indentation Tester

                                   4 µm & 25 µm auto-ranging (1000 µm 
Maximum indentation depth
Depth Resolution (Theoretical)     0.006 nm
Depth Resolution (noise floor*)    0.5 nm
Maximum Load                       50mN& 500 mN auto-ranging 
Load Resolution (Theoritical)      0.08µN 
Load Resolution (noise floor*)     1µN 
X-Y Range                          200 x 100 mm 
X-Y Lateral Resolution             0.15µm
Z Motorized                        90 mm 
Objective Lens                     Standard: 10x, 50x, 100x (Optional: 5x, 20x)
* Depends upon laboratory environment 
Single and Multiple-Frequency Indentation Testing

          Some Nano-Indentation Testers (Nanovea) offers multiple-
         frequency indentation testing to 500 mN. This breakthrough 
         technique for stroboscopic nano-indentation studies, is 
         essential for those researching deformation as a result of 
         frequency influences on visco-elastic substrates such as 
         plastics polymers.

         Unlike conventional dynamic indentation methods, multiple-
         indentation testing utilizes a superposition of frequencies. 

         Fourier analysis separates the frequency dependent 
         storage and loss moduli and complex viscosity of the 
         A single frequency estimation with dynamic indentation 
         methods, only provides one data point in a spectrum of 
         material response. 
         Multiple frequency nano-indentation testing allows the user 
         to see the full visco-elastic material response. 
             Why test thin polymer films?
• Improve thermomechanical stability via self-assembly of nanostructure              

• Establish connections between the nanostructure & mechanical properties
• Determine the size scale of elementary processes of plastic deformation
                        AFM Objective
    An optional Atomic Force Microscope (AFM) objective can be fitted 
    in addition to the standard optical microscope. 

•   As well as providing the most accurate determination of the contact 
    area, high resolution AFM imaging close to, or within the indentation 
    can provide valuable information about the mode of deformation in 
    the material. 

•   The addition of a scanning probe microscope allows access to a 
    whole new range of capabilities with Nano Indentation and Scratch 
    Testers, allowing the user to view features of the indentation such 
    as pile-up, cracking, delamination, slip bands and other 
    characteristics of failure in great detail. 

•   Unlike other AFM objectives, the Dualscope AFM avoids actual 
    contact with the sample surface yet presents a very accurate image 
    (to the <1nm) of the surface topology.
  Force-Distance Measurements
             • Use AFM cantilever to pull or push on sample
                   • Forces cause cantilever to deflect
• Cantilever deflection Þ force: F=kz (Force = spring constant x distance)
       Instrumented Indentation Analysis Software
     Indentation software offers the traditional Oliver & Pharr method of analysis 
        with a powerful non-linear solver for fitting the unloading curve (effective 
         indenter shape). Both quasi-static and multiple-frequency dynamic test 
                                  data can be analyzed.
• Completely flexible test specifications including 
   tests to ISO 14577
• Analysis of data from Berkovich, Vickers, spherical and 
  cube corner indenters
• Multiple-Frequency Fourier-transform dynamic testing 
• Automatic calculation of hardness & elastic modulus & 
  data averaging
• Predetictive calculations based upon user inputs of 
  estimated modulus and hardness
• Creep (constant force) with iterative solving for up to 4-
  element Maxwell - Voigt model
• Elastic-Plastic material properties with strain hardening
• Positioning of each indent with the microscope
• Images from color camera directly incorporated in the 
• Optional coating geometry
• Force rate, strain rate control
• No prior knowledge of finite element analysis required
• Mapping of indentation
• Precise relocation of each indent

To top