[實用新型]掃描電鏡中納米線原位拉伸裝置

無效

• 申請號: 200620172814.4
• 申請日: 2006-12-29
• 公開（公告）號: CN201034884Y
• 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在掃描電子顯微鏡中原位拉伸納米線的裝置，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，揭示納米線在拉伸載荷下的變形機制，脆韌轉變方式，屬于納米材料力學性能原位測量領域。

背景技術：

隨著納米技術的發展和納米器件的開發，納米線是納米器件的基本單元，納米線不僅具有良好的電、磁、光等性質，還要要求在器件中承載機械載荷，傳遞力，執行運動等。納米線在外力作用下的力學響應方式和失效形式，例如脆性斷裂或韌性斷裂，最大斷裂應變量，必將影響器件的可靠性，因此研究單根納米線在外力作用下的力學響應和服役行為，積累納米線的力學性能數據，是當前設計和開發納米器件的基本材料準則。目前單根納米線力學性能原位測試的主要方法有，在透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡中的原位高頻電場激勵共振方法，原位彎曲法，拉伸法等。其中拉伸是最為直接的力學性能測試手段，掃描電子顯微鏡由于操作方便，樣品室空間較大，是研究納米材料結構和性能的有力工具，但是由于納米材料結構細小，難于操縱，在掃描電子顯微鏡中如何對單根納米線樣品進行固定和單軸拉伸變形，原位揭示納米線的力學性能和變形機制是當前納米力學研究的難題。目前由于受到實驗手段的限制，對于單根納米線/管的拉伸變形直接測量非常困難，其中已經有文獻報道了對于一維碳納米管在單軸拉伸應力作用下的力學性能的實驗測量方法。

這種方法報道于《Science》2000年287卷637-640頁，是將兩套原子力顯微鏡(AFM)探針安裝于掃描電子顯微鏡(SEM)中，在SEM中通過原位化學氣相沉積將吸附在AFM針尖上的碳納米管固定，調整AFM探針垂直相對，通過施加載荷移動其中的一個AFM探針拉伸單根碳納米管并在SEM下原位觀察，根據受到的拉力的大小和伸長的程度，計算得到單根多壁碳納米管和單壁碳納米管的拉伸強度，并可直接觀測納米管的斷裂過程。該方法集成了幾種精密設備同時工作，控制和操作系統復雜，需要較高的實驗技術才能得到可靠的實驗數據，不利于普及推廣。同時由于AFM針尖較細，納米線在針尖上的固定比較困難，對于較粗的納米線或強度較大的納米線這種方法難于適用。

實用新型內容：

針對現有技術存在的問題，本實用新型的目的是提供一種安裝在掃描電子顯微鏡中的納米線拉伸變形裝置，利用掃描電子顯微鏡原位實時記錄納米線在拉伸作用下彈塑性變形過程及斷裂失效的方式，不同直徑和材質的納米線的最大斷裂應變量，將納米線的斷裂力學性能與微觀結構變化直接對應起來，從納米尺度上揭示一維納米線的力學性能。

為了實現上面的目的，本實用新型中掃描電子顯微鏡中單根納米線原位拉伸裝置和方法，其特征在于：包括底座1和固定在底座上的加熱器2，加熱器2上面固定帶有凹槽的支架3，支架上的兩個凹槽里面利用緊固螺釘9分別固定兩個雙金屬片7，雙金屬片7分別與一對滑塊5連接。導軌4固定在底座1上面，導軌4與支架3平行，與雙金屬片7垂直。一對滑塊5設置在導軌4上面，兩滑塊5上面分別設置一對水平位置可調節的樣品臺6，在室溫時調節兩樣品臺之間的縫隙在幾微米之間，保證較長的納米線能橫跨在兩樣品臺之間。

支架3和雙金屬片7上面加可以起到保溫作用的頂蓋8。通過加熱器2加熱支架3，傳導到雙金屬片7上的熱量使雙金屬片7發生彎曲變形，雙金屬片驅動滑塊5沿著導軌4向兩側直線運動，固定在滑塊上面的樣品臺6會拉伸固定在樣品臺兩端的納米線，使納米線發生雙向拉伸變形，利用掃描電子顯微鏡成像系統同時依次記錄納米線的變形過程和微區的結構和形貌變化。

本實用新型也可以使用一個雙金屬片7，使一個滑塊運動，另一個滑塊固定不動，實現對納米線的單向拉伸變形。

進一步地，所述的雙金屬片為線膨脹系數不同的金屬片疊焊在一起，當溫度變化時，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數差異而產生不同的膨脹和收縮，導致雙金屬片向線膨脹系數小的一側彎曲變形。本實用新型中雙金屬片的安裝保證在受熱時向導軌的兩側運動，雙金屬片受熱后驅動滑塊運動，固定在滑塊上的樣品臺實現對納米線的拉伸變形。本實用新型中，為了保證在較低溫度下實現較大的的彎曲變形，推薦使用比彎曲大于10/10^-6·℃^-1的雙金屬片

進一步地，本實用新型所述的加熱器為電阻加熱器，包括直流可控電源，以及溫度指示器，加熱器的線性升溫范圍0-350℃，可以根據設定的應變速率，調整加熱器的升溫速率。