The recent interest in size-dependent deformation of micro- and nanoscale materials has paralleled both technological miniaturization and advancements in imaging and small-scale mechanical testing methods. Here we describe a quantitative in situ nanomechanical testing approach adapted to a dual-beam focused ion beam and scanning electron microscope. A transducer based on a three-plate capacitor system is used for high-fidelity force and displacement measurements. Specimen manipulation, transfer, and alignment are performed using a manipulator, independently controlled positioners, and the focused ion beam. Gripping of specimens is achieved using electron-beam assisted Pt-organic deposition. Local strain measurements are obtained using digital image correlation of electron images taken during testing. Examples showing results for tensile testing of single-crystalline metallic nanowires and compression of nanoporous Au pillars will be presented in the context of size effects on mechanical behavior and highlight some of the challenges of conducting nanomechanical testing in vacuum environments.

1.
M. D.
Uchic
,
D. M.
Dimiduk
,
J. N.
Florando
, and
W. D.
Nix
,
Science
305
,
986
(
2004
).
2.
D. M.
Dimiduk
,
M. D.
Uchic
, and
T. A.
Parthasarathy
,
Acta Mater.
53
,
4065
(
2005
).
3.
J. R.
Greer
,
W. C.
Oliver
, and
W. D.
Nix
,
Acta Mater.
53
,
1821
(
2005
).
4.
C. A.
Volkert
and
E. T.
Lilleodden
,
Philos. Mag.
86
,
5567
(
2006
).
5.
D.
Kiener
,
C.
Motz
,
T.
Schöberl
,
M.
Jenko
, and
G.
Dehm
,
Adv. Eng. Mater.
8
,
1119
(
2006
).
6.
S.
Brinckmann
,
J.-Y.
Kim
, and
J.
Greer
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
155502
(
2008
).
7.
W. W.
Gerberich
,
J.
Michler
,
W. M.
Mook
,
R.
Ghisleni
,
F.
Östlund
,
D. D.
Stauffer
, and
R.
Ballarini
,
J. Mater. Res.
24
,
898
(
2009
).
8.
A.
Jennings
and
J.
Greer
,
Philos. Mag.
1108
,
1
(
2010
).
9.
A. T.
Jennings
,
M. J.
Burek
, and
J. R.
Greer
,
Phys. Rev. Lett.
104
, (
2010
).
10.
J.-Y.
Kim
and
J. R.
Greer
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
101916
(
2008
).
11.
C.
Motz
,
D.
Weygand
,
J.
Senger
, and
P.
Gumbsch
,
Acta Mater.
56
,
1942
(
2008
).
12.
A.
Schneider
,
D.
Kaufmann
,
B.
Clark
,
C.
Frick
,
P.
Gruber
,
R.
Mönig
,
O.
Kraft
, and
E.
Arzt
,
Phys. Rev. Lett.
103
, (
2009
).
13.
B. E.
Schuster
,
Q.
Wei
,
T. C.
Hufnagel
, and
K. T.
Ramesh
,
Acta Mater.
56
,
5091
(
2008
).
14.
C. A.
Volkert
,
A.
Donohue
, and
F.
Spaepen
,
J. Appl. Phys.
103
,
083539
(
2008
).
15.
D. S.
Gianola
and
C.
Eberl
,
JOM
61
,
24
(
2009
).
16.
W. C.
Oliver
and
G. M.
Pharr
,
J. Mater. Res.
19
,
3
(
2004
).
17.
M.
Uchic
,
P.
Shade
, and
D.
Dimiduk
,
Annu. Rev. Mater. Res.
39
,
361
(
2009
).
18.
O.
Kraft
,
P.
Gruber
,
R.
Mönig
, and
D.
Weygand
,
Annu. Rev. Mater. Res.
40
,
293
(
2010
).
19.
M. D.
Uchic
,
D. M.
Dimiduk
,
R.
Wheeler
,
P. A.
Shade
, and
H. L.
Fraser
,
Scr. Mater.
54
,
759
(
2006
).
20.
S. T.
Motz
C and
P.
R
,
Acta Mater.
53
,
4269
(
2005
).
21.
F.
Weber
,
I.
Schestakow
,
F.
Roters
, and
D.
Raabe
,
Adv. Eng. Mater.
10
,
737
(
2008
).
22.
B.
Wu
,
A.
Heidelberg
, and
J. J.
Boland
,
Nat. Mater.
4
,
525
(
2005
).
23.
D.
Kiener
,
W.
Grosinger
,
G.
Dehm
, and
R.
Pippan
,
Acta Mater.
56
,
580
(
2008
).
24.
K. J.
Hemker
and
W. N.
Sharpe
,
Annu. Rev. Mater. Res.
37
,
93
(
2007
).
25.
W. N.
Sharpe
,
K. T.
Turner
, and
R. L.
Edwards
,
Exp. Mech.
39
,
162
(
1999
).
26.
Y.
Ganesan
,
Y.
Lu
,
C.
Peng
,
H.
Lu
,
R.
Ballarini
, and
J.
Lou
,
J. Microelectromech. Syst.
19
,
675
(
2010
).
27.
Sé.
Gravier
,
M.
Coulombier
,
A.
Safi
,
N.
Andre
,
A.
BoÉ
,
J.-P.
Raskin
, and
T.
Pardoen
,
J. Microelectromech. Syst.
18
,
555
(
2009
).
28.
D.
Zhang
,
J.-M.
Breguet
,
R.
Clavel
,
V.
Sivakov
,
S.
Christiansen
, and
J.
Michler
,
J. Microelectromech. Syst.
19
,
663
(
2010
).
29.
C.
Ke
and
H. D.
Espinosa
,
Small
2
,
1484
(
2006
).
30.
B.
Peng
,
M.
Locascio
,
P.
Zapol
,
S.
Li
,
S. L.
Mielke
,
G. C.
Schatz
, and
H. D.
Espinosa
,
Nat. Nanotech.
3
,
626
(
2008
).
31.
Y.
Zhu
,
C.
Ke
, and
H. D.
Espinosa
,
Exp. Mech.
47
,
7
(
2007
).
32.
I.
Chasiotis
and
W.
Knauss
,
Exp. Mech.
42
,
51
(
2002
).
33.
M.
Naraghi
,
T.
Ozkan
,
I.
Chasiotis
,
S.
Hazra
, and
M.
de Boer
,
J. Micromech. Microeng.
20
,
125022
(
2010
).
34.
U.
Singh
,
V.
Prakash
,
A. R.
Abramson
,
W.
Chen
,
L.
Qu
, and
L.
Dai
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
073103
(
2006
).
35.
S.
Orso
,
U. G. K.
Wegst
,
C.
Eberl
, and
E.
Arzt
,
Adv. Mater.
18
,
874
(
2006
).
36.
G.
Richter
,
K.
Hillerich
,
D. S.
Gianola
,
R.
Mönig
,
O.
Kraft
, and
C. A.
Volkert
,
Nano Lett.
9
,
3048
(
2009
).
37.
M.
Legros
,
D.
Gianola
, and
C.
Motz
,
MRS Bull.
35
,
354
(
2010
).
38.
K. A.
Rzepiejewska-Malyska
,
G.
Buerki
,
J.
Michler
,
R. C.
Major
,
E.
Cyrankowski
,
S. A. S.
Asif
, and
O. L.
Warren
,
J. Mater. Res.
23
,
1973
(
2008
).
39.
J.
Michler
,
K.
Wasmer
,
S.
Meier
,
F.
Östlund
, and
K.
Leifer
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
043123
(
2007
).
40.
J.
Nowak
,
K.
Rzepiejewska-Malyska
,
R.
Major
,
O.
Warren
, and
J.
Michler
,
Mater. Today
12
,
44
(
2010
).
41.
A. M.
Minor
,
E. T.
Lilleodden
,
M.
Jin
,
E. A.
Stach
,
D. C.
Chrzan
, and J. W. M. Jr,
Philos. Mag.
85
,
323
(
2005
).
42.
A. M.
Minor
,
E. T.
Lilleodden
,
E. A.
Stach
, and J. W. M. Jr,
J. Mater. Res.
19
,
176
(
2004
).
43.
A. M.
Minor
,
S. A. S.
Asif
,
Z.
Shan
,
E. A.
Stach
,
E.
Cyrankowski
,
T. J.
Wyrobek
, and
O. L.
Warren
,
Nat. Mater.
5
,
697
(
2006
).
44.
S. H.
Oh
,
M.
Legros
,
D.
Kiener
, and
G.
Dehm
,
Nat. Mater.
8
,
95
(
2009
).
45.
Z. W.
Shan
,
R. K.
Mishra
,
S. A.
Syed Asif
,
O. L.
Warren
, and
A. M.
Minor
,
Nat. Mater.
7
,
115
(
2008
).
46.
Z. W.
Shan
,
G.
Adesso
,
A.
Cabot
,
M. P.
Sherburne
,
S. A.
Syed Asif
,
O. L.
Warren
,
D. C.
Chrzan
,
A. M.
Minor
, and
A. P.
Alivisatos
,
Nat. Mater.
7
,
947
(
2008
).
47.
Z. W.
Shan
,
J.
Li
,
Y. Q.
Cheng
,
A. M.
Minor
,
S. A.
Syed Asif
,
O. L.
Warren
, and
E.
Ma
,
Phys. Rev. B
77
,
155419
(
2008
).
48.
Y.
Sun
,
J.
Ye
,
A. M.
Minor
, and
T. J.
Balk
,
Microsc. Res. Tech.
72
,
232
(
2009
).
49.
Y.
Sun
,
J.
Ye
,
Z.
Shan
,
A. M.
Minor
, and
T. J.
Balk
,
JOM J. Miner., Met. Mater. Soc.
59
,
54
(
2007
).
50.
Y. B.
Wang
,
B. Q.
Li
,
M. L.
Sui
, and
S. X.
Mao
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
011903
(
2008
).
51.
J.
Ye
,
R. K.
Mishra
,
A. R.
Pelton
, and
A. M.
Minor
,
Acta Mater.
58
,
490
(
2010
).
52.
M.
Legros
,
M.
Cabie
, and
D. S.
Gianola
,
Microsc. Res. Tech.
72
,
270
(
2009
).
53.
J.
Deneen
,
W. M.
Mook
,
A.
Minor
,
W. W.
Gerberich
, and
C.
Barry Carter
,
J. Mater. Sci.
41
,
4477
(
2006
).
54.
X.
Li
,
I.
Chasiotis
, and
T.
Kitamura
,
MRS Bull.
35
,
361
(
2010
).
55.
R.
Spolenak
,
W.
Ludwig
,
J.
Buffiere
, and
J.
Michler
,
MRS Bull.
35
,
368
(
2010
).
56.
R.
Maaß
,
S.
Van Petegem
,
D.
Grolimund
,
H.
Van Swygenhoven
,
D.
Kiener
, and
G.
Dehm
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
071905
(
2008
).
57.
R.
Maaß
,
S.
Van Petegem
,
H.
Van Swygenhoven
,
P.
Derlet
,
C.
Volkert
, and
D.
Grolimund
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
145505
(
2007
).
58.
K.
Wasmer
,
T.
Wermelinger
,
A.
Bidiville
,
R.
Spolenak
, and
J.
Michler
,
J. Mater. Res.
23
,
3040
(
2008
).
59.
American Society of Testing and Materials, ASTM E 8M,
1995
.
60.
M. A.
Haque
and
M. T. A.
Saif
,
Scr. Mater.
47
,
863
(
2002
).
61.
T. E.
Buchheit
,
S. J.
Glass
,
J. R.
Sullivan
,
S. S.
Mani
,
D. A.
Lavan
,
T. A.
Friedmann
, and
R.
Janek
,
J. Mater. Sci.
38
,
4081
(
2003
).
62.
W. N.
Sharpe
,
B.
Yuan
, and
R. L.
Edwards
,
J. Microelectromech. Syst.
6
,
193
(
1997
).
63.
E. P. S.
Tan
and
C. T.
Lim
,
Rev. Sci. Instrum.
75
,
2581
(
2004
).
64.
H.
Miyazaki
and
K.
Hayashi
,
Biomed. Microdevices
2
,
151
(
1999
).
65.
M. F.
Yu
,
O.
Lourie
,
M. J.
Dyer
,
K.
Moloni
,
T. F.
Kelly
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
287
,
637
(
2000
).
66.
M. D.
Wang
,
H.
Yin
,
R.
Landick
,
J.
Gelles
, and
S. M.
Block
,
Biophys. J.
72
,
1335
(
1997
).
67.
H. D.
Espinosa
,
B. C.
Prorok
, and
M.
Fischer
,
J. Mech. Phys. Solids
51
,
47
(
2003
).
68.
S. S.
Brenner
,
J. Appl. Phys.
27
,
1484
(
1956
).
69.
R.
Longtin
,
C.
Fauteux
,
J.
Pegna
, and
M.
Boman
,
Carbon
42
,
2905
(
2004
).
70.
W.
Suwito
,
M.
Dunn
,
S.
Cunningham
, and
D.
Read
,
J. Appl. Phys.
85
,
3519
(
1999
).
71.
T.
Zhang
,
Y.
Su
,
C.
Qian
,
M.
Zhao
, and
L.
Chen
,
Acta Mater.
48
,
2843
(
2000
).
72.
C. A.
Volkert
and
A. M.
Minor
,
MRS Bull.
32
,
389
(
2007
).
73.
H.
Hiroshima
,
N.
Suzuki
,
N.
Ogawa
, and
M.
Komuro
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
38
,
7135
(
1999
).
74.
V.
Gopal
,
V.
Radmilovic
,
C.
Daraio
,
S.
Jin
,
P.
Yang
, and
E.
Stach
,
Nano Lett.
4
,
2059
(
2004
).
75.
Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice
, edited by
F. A. S. L. A.
Giannuzzi
(
Springer
,
New York,
2005
).
76.
H.
Bei
,
S.
Shim
,
M. K.
Miller
,
G. M.
Pharr
, and
E. P.
George
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
111915
(
2007
).
77.
B.
Moser
,
K.
Wasmer
,
L.
Barbieri
, and
J.
Michler
,
J. Mater. Res.
22
,
1004
(
2007
).
78.
M. D.
Uchic
and
D. M.
Dimiduk
,
Mater. Sci. Eng. A
400–401
,
268
(
2005
).
79.
V.
Gopal
,
E.
Stach
,
V.
Radmilovic
, and
I.
Mowat
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
49
(
2004
).
80.
I.
Utke
,
V.
Friedli
,
S.
Fahlbusch
,
S.
Hoffmann
,
P.
Hoffmann
, and
J.
Michler
,
Adv. Eng. Mater.
8
,
155
(
2006
).
81.
O.
Warren
,
S.
Downs
, and
T.
Wyrobek
,
Z. Metallkd.
95
,
287
(
2004
).
82.
Y.
Oh
,
M. R.
Wilson
,
R. C.
Major
,
S. A. S.
Asif
, and
O. L.
Warren
, U.S. Patent No. US 2010/0036636 A1 (
2010
).
83.
M. A.
Sutton
,
J.-J.
Orteu
, and
H.
Schreier
,
Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements: Basic Concepts, Theory and Applications
, 1st ed. (
Springer
,
New York
,
2009
).
84.
T. C.
Chu
,
W. F.
Ranson
,
M. A.
Sutton
, and
W. H.
Peters
,
Exp. Mech.
25
,
232
(
1985
).
85.
W. H.
Peters
and
W. F.
Ranson
,
Opt. Eng.
21
,
427
(
1982
).
86.
H. A.
Bruck
,
S. R.
McNeill
,
M. A.
Sutton
, and W. H. P. III,
Exp. Mech.
29
,
261
(
1989
).
87.
W. N.
Sharpe
,
J.
Pulskamp
,
D. S.
Gianola
,
C.
Eberl
,
R.
Polawich
, and
R.
Thompson
,
Exp. Mech.
47
,
649
(
2006
).
88.
C.
Eberl
,
D. S.
Gianola
, and
R.
Thompson
, MATLAB file exchange, http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/12413 (
2006
).
89.
N.
Biery
,
M.
de Graef
, and
T.
Pollock
,
Metall. Mater. Trans. A
34
,
2301
(
2003
).
90.
M. A.
Sutton
,
N.
Li
,
D. C.
Joy
,
A. P.
Reynolds
, and
X.
Li
,
Exp. Mech.
47
,
775
(
2007
).
91.
M. A.
Sutton
,
N.
Li
,
D.
Garcia
,
N.
Cornille
,
J. J.
Orteu
,
S. R.
McNeill
,
H. W.
Schreier
,
X.
Li
, and
A. P.
Reynolds
,
Exp. Mech.
47
,
789
(
2007
).
92.
B. G.
Clark
,
D. S.
Gianola
,
O.
Kraft
, and
C. P.
Frick
,
Adv. Eng. Mater.
12
,
808
(
2010
).
93.
W. A.
Scrivens
,
Y.
Luo
,
M. A.
Sutton
,
S. A.
Collette
,
M. L.
Myrick
,
P.
Miney
,
P. E.
Colavita
,
A. P.
Reynolds
, and
X.
Li
,
Exp. Mech.
47
,
63
(
2006
).
95.
S. S.
Brenner
,
J. Appl. Phys.
28
,
1023
(
1957
).
96.
S. S.
Brenner
,
J. Appl. Phys.
30
,
266
(
1958
).
97.
S. S.
Brenner
and
G. W.
Sears
,
Acta Metall.
4
,
268
(
1956
).
98.
H.
Bei
,
S.
Shim
,
E. P.
George
,
M. K.
Miller
,
E. G.
Herbert
, and
G. M.
Pharr
,
Scr. Mater.
57
,
397
(
2007
).
99.
T.
Zhu
,
J.
Li
,
A.
Samanta
,
A.
Leach
, and
K.
Gall
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
025502
(
2008
).
100.
C. A.
Volkert
,
E. T.
Lilleodden
,
D.
Kramer
, and
J.
Weissmüller
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
061920
(
2006
).
101.
J.
Biener
,
A. M.
Hodge
,
J. R.
Hayes
,
C. A.
Volkert
,
L. A.
Zepeda-Ruiz
,
A. V.
Hamza
, and
F. F.
Abraham
,
Nano Lett.
6
,
2379
(
2006
).
102.
C. A.
Volkert
and
E. T.
Lilleodden
,
Philos. Mag.
86
,
5567
(
2006
).
103.
T. J.
Balk
,
C.
Eberl
,
Y.
Sun
,
K. J.
Hemker
, and
D. S.
Gianola
,
JOM J. Miner., Met. Mater. Soc.
61
,
26
(
2009
).
104.
A.
Mathur
and
J.
Erlebacher
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
061910
(
2007
).
You do not currently have access to this content.