[實用新型]掃描電鏡中單根納米線原位力學綜合性能測試裝置

無效

• 申請號: 200620172813.X
• 申請日: 2006-12-29
• 公開（公告）號: CN201034883Y
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 韓曉東;張躍飛;張澤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N13/10
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉萍

技術領域：

本實用新型涉及一種安裝在掃描電子顯微鏡中對單根納米線原位力學性能測量，以及在拉伸應力作用下進行電學測量的裝置，利用掃描電子顯微鏡可以實時觀測納米線拉伸變形過程中的結構變化，揭示單根納米線在單軸拉伸應力下的變形機制和應力狀態下電學特性，屬于納米材料性能原位檢測領域。

背景技術：

實現對單體納米結構的操縱和原位性能測量，是當今納米新結構、新性質以及新器件研究的瓶頸性關鍵科學技術問題。

應該指出，盡管近年來人們對單體納米材料的力學性能和電學性能有了深入的研究，但因其難度和復雜性，至今尚未形成公認的結論。納米線作為微機電系統和納機電系統的互連線或基本功能單元，因此充分了解單根納米線的力學性能和電學性能以及在應力作用下的電/力偶合性能是設計納米器件的基本準則。

目前對于單根納米線力學性能的測試大致可以分為以下兩種方法。

以原子力顯微鏡或掃描隧道顯微鏡為基本手段的測試方法，由于這些設備具有高的力學和位移分辨率，其中一種方法是報道于《advanced?materials》1999，vol.11，161-165頁上的“有序和雜亂排列的多壁彈納米管的彈性模量”(Elastic?modulus?of?ordered?and?disordered?multiwalled?carbonnanotubes)，公開了一種橫跨在一個洞上面的碳納米管，利用原子力顯微鏡針尖壓彎曲納米管，利用原子力顯微鏡高的力學和位移傳感特性，測試了納米管的彈性模量，隨后類似的方法多有報道用于測試其它納米線的力學性能。另一中方法報道于《Nano?Letters》2005，vol.5，1954-1958上的，“垂直陣列生長納米線的彈性性能”(elastic?property?of?vertically?alignednanowires)，同樣是利用原子力顯微鏡彎曲豎直生長的氧化鋅納米線，利用彎曲位移和力的關系，計算了氧化鋅納米線的彈性模量。由于優越的力學和位移分辨率，原子力顯微鏡基的力學測試方法非常適合于測量單根納米線的力學性能，但是不能原位監測納米線變形過程中的結構變化，難于解釋納米線的變形機制和斷裂過程。

機械共振方法也是單根納米線力學性能測試的一種方法，最早的文獻報道于《Science》1999，vol.283，1513-1516頁上的“碳納米管的靜電偏轉和共振”(Electrostatic?deflections?and?electromechanical?resonances?ofcarbon?nanotubes)，此實驗在透射電子顯微鏡中原位進行，利用施加在一端固定的納米管上的交變電場誘導納米管發生共振，利用共振頻率的變化測量納米管的彎曲模量。隨后多個研究小組利用這種方法在透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡中，測量了不同納米線的彈性模量。這種方法避免了納米線直接操縱的困難，同時可以利用透射電子顯微鏡原位獲得納米管/線的結構信息，但是這種方法僅限于納米線的彈性變形范圍，不能測量納米線的塑性變形、斷裂強度等其他重要的力學性能。

以上這些方法均不能在應力狀態下對單根納米線進行電學性能的測量，已經不能滿足目前在微觀尺度上對納米材料力學性，電學性能，力學電學耦合性能測試的要求。掃描電子顯微鏡是人們依賴的可以直接揭示納米及原子尺度信息的重要工具之一，掃描電子顯微鏡加速電壓較低，用背散射電子和二次電子成像，適用于多種樣品形式(例如線狀，塊狀，粉末狀等)。其相對較大的樣品觀察室為實施原位變形和施加外場作用提供了較方便的條件，近年發展起來的熱場發射掃描電子顯微鏡大幅度提高了空間分辨率和電子束流密度，為納米材料的研究提供了方便的手段。

在掃描電子顯微鏡中原位拉伸測量單根納米線的彈性模量，塑性變形，屈服強度和斷裂強度是最直接的測試方法，同時可以利用背散射電子或二次電子成像原位觀察納米線變形過程中的微結構變化，為揭示一維納米材料變形的表面效應、尺寸效應提供直接的實驗證據。對于在掃描成像狀態下單根納米線的電學性能測試，揭示在電流，電壓作用下的電學性質以及結構變化也是一維納米材料應用的基本性能參數和重要的依據，以及在拉伸應力狀態下測試一維納米材料的電學特性，是納米線作為基本器件和功能單元在實際工作環境需要解決的重要問題。

實用新型內容：