[實用新型]低維材料應力狀態下性能測試裝置

無效

• 申請號: 200820124254.4
• 申請日: 2008-12-05
• 公開（公告）號: CN201340379Y
• 公開（公告）日: 2009-11-04
• 發明（設計）人: 韓曉東;岳永海;張躍飛;張澤
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N13/10
• 分類號: G01N13/10;G01N27/00;G01N21/65;G01N21/63
• 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光學顯微鏡(以下簡稱光鏡)和掃描電子顯微鏡(以下簡稱掃描電鏡)下測試低維材料在應力狀態下光學、電學性質的拉伸裝置。本實用新型利用壓電陶瓷精確的變形量實現低維材料拉伸或壓縮變形的同時利用所配備的雙懸臂梁(硬懸臂梁和軟懸臂梁)實時的監測施加在材料上的應力信號。另外，可以利用該裝置進行低維材料在應力狀態下拉曼光譜、光致發光光譜等光學性質的研究，屬于低維材料應力狀態下綜合性能測試領域。

背景技術

近年來，隨著科學技術的不斷發展，低維材料(像納米線、納米帶、納米薄膜、納米棒等)越來越受到人們的關注，但是由于尺寸的限制，使得不能向操作宏觀材料一樣操作低維納米材料，因此，對于低維材料在應力狀態下性質的變化的研究相對落后，然而，作為將來納米器件的基本元件的地位材料在應力作用下的服役情況及可靠度卻極大的影響著材料的性能，發展測試低維材料在應力狀態下的性質的方法就顯得尤為重要。

目前，用來測試低維納米材料在應力作用下的性能的方法大致有以下幾種。

一、利用掃描探針顯微鏡(SPM，包括AFM、STM等)實現低維納米材料應力作用下性質的研究，2007年Xiaojie?Duan等發表在《Nano?letters》上的《Resonant?Raman?Spectroscopy?of?Individual?Strained?Single-Wall?CarbonNanotubes》利用原子力顯微鏡的原子力探針分別給單根超長單壁碳納米管施加一個扭轉力矩和單軸應變，發現碳納米管的拉曼譜峰出現了不同方式的頻移。而且通過拉曼峰強度的變化揭示應變對電子能帶結構的影響。但是，這種方法還不能準確實時的給出材料所發生的應變，同時無法實時給出應變與拉曼光譜頻移之間的對應關系。

二、透射電鏡結合掃描探針顯微鏡實現納米材料在應力作用下的電學性能的測試。Xuedong?Bai等發表在《Nano?letters》上的題為《Deformation-DrivenElectrical?Transport?of?Individual?Boron?Nitride?Nanotubes》就研究了單根BN納米管在應力狀態下導電性質的變化。發現原本是絕緣體的BN納米管在受到應力彎曲變形后導電性變成了半導體的導電特性，而當應力撤去后還能回復到絕緣體的導電特性。本方法還只是定性的給出作用力與材料導電性能之間的關系，不能定量的給出施加多大的力，或者發生多大的應變能夠導致材料導電性質的變化。

實用新型內容

針對現有技術問題，該實用新型提供一種簡便有效的納米材料的拉伸裝置及方法，利用該裝置方法可以實現對于一維、兩維納米材料的拉伸與壓縮操作，并在進行上述操作的同時實時的觀察施加在納米材料上的力的信號。通過壓電陶瓷精確控制納米材料的形變速率，可以精確的控制施加在材料上的應力，從而得到所施加應力與材料電學、光學性能變化之間的關系。

為了實現上述目的，該低維材料應力狀態下性能測試裝置，其特征在于：包括底座1和一端固定在底座1上另一端為自由端的壓電陶瓷2，用支撐柱3將壓電陶瓷2支撐在底座1上以保證壓電陶瓷2受力均勻。在底座1固定壓電陶瓷2的一側同時還加裝了一個三軸(X、Y、Z)位移調節裝置4，三軸位移調節裝置4的自由端位于壓電陶瓷2的上方并在其上固定著支撐臺I5，軟懸臂梁6固定在支撐臺I5上，壓電陶瓷2的自由端上固定著支持座7，支持座7為一側固定在壓電陶瓷2上，另一側位于壓電陶瓷2的上方，并與三軸位移調節裝置4自由端相對平行放置，支持座7上固定著支撐臺II8，硬懸臂梁9固定在支撐臺II8上。壓電陶瓷2通過外接引線10連接到外加驅動電源11上。

在該裝置的底座1的上平面還可安裝精密激光定位系統12，并將激光定位系統12外接到外部計算機處理系統13，通過分析軟件可以獲得軟懸臂梁6發生的精確變形量。

在光學顯微鏡下，通過調節三軸位移調節裝置4改變軟懸臂梁6的空間位置使得軟懸臂梁6和硬懸臂梁9在同一個平面上，相對距離在2～50μm之間。通過外接引線10分別將壓電陶瓷2的正負極與外加驅動電源11的正負極連接，調節施加在壓電陶瓷2上的直流電壓值，壓電陶瓷2的自由端就會發生背離固定端的位移，帶動固定在壓電陶瓷2自由端的支持座7發生相應的位移，固定在支持座7上的支撐臺8會帶動硬懸臂梁9發生相應的位移，從而實現對固定在軟懸臂梁6和硬懸臂梁9上的樣品的拉伸變形操作。由于樣品受到兩條懸臂梁的作用力，使得軟懸臂梁6會發生彎曲變形，從而可以測得施加在樣品上的力的值。