[發(fā)明專利]一種基于AFM的微/納觀力-電耦合特性測量裝置及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810071309.8
• 申請(qǐng)日: 2018-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN108287034B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王學(xué)森;王成原;張康;俞笑竹;趙越;孫虎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常州市利多合金材料有限公司;江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/24
• 分類號(hào): G01L1/24;G01N27/04
• 代理公司: 11467 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 馮燕平

本發(fā)明提供了一種基于AFM的微/納觀力?電耦合特性測量裝置，包括壓電驅(qū)動(dòng)器、AFM探頭、導(dǎo)電第二探針、激光發(fā)射器、顯微鏡、檢測器和數(shù)據(jù)處理中心；柔彈性導(dǎo)電試樣的兩端通過夾具安裝在固定架上；所述固定架上安裝可移動(dòng)的壓電驅(qū)動(dòng)器；所述固定架上安裝AFM探頭和導(dǎo)電第二探針，所述AFM探頭通過運(yùn)動(dòng)與柔彈性導(dǎo)電試樣表面接觸，所述導(dǎo)電第二探針可與柔彈性導(dǎo)電試樣表面接觸；所述AFM原子力顯微鏡內(nèi)置所述激光發(fā)射器和檢測器，所述激光發(fā)射器用于發(fā)射信號(hào)。發(fā)明可以現(xiàn)對(duì)納觀導(dǎo)電性能與機(jī)械荷載耦合關(guān)系測試，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映力?電耦合作用下試樣的機(jī)械荷載、結(jié)構(gòu)與材料性能之間的關(guān)系。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及柔彈性導(dǎo)電復(fù)合材料及應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及一種基于AFM的微/納觀力-電耦合特性測量裝置及其方法。

背景技術(shù)

以AFM為代表的納米測試技術(shù)是納觀測量技術(shù)的重要組成部分。納米技術(shù)是通過一定的儀器設(shè)備，使尺度范圍在1～100nm內(nèi)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而在物理、化學(xué)等多方面體現(xiàn)出宏觀塊體材料所不具備的材料特性。隨著近些年納米技術(shù)的高速發(fā)展，作為支撐納米技術(shù)發(fā)展的納米表征新技術(shù)也層出不窮。此外，物理、化學(xué)制備技術(shù)的發(fā)展亦促使了大量先進(jìn)納米材料及納米復(fù)合材料地不斷涌現(xiàn)。這些材料的整體特性源自于納觀下材料的超越性能，因此對(duì)納觀下材料性能的測試分析是國際學(xué)術(shù)及工程界的研究熱點(diǎn)。

顯然，由于尺度及載荷的數(shù)量級(jí)差異傳統(tǒng)的測試手段無法獲得納觀下材料的物理特性。同時(shí)，納觀器件通常由功能材料合成，在不同物理場同時(shí)作用下工作，其功能的實(shí)現(xiàn)依賴于力-電，熱-電及電-磁等性能的耦合效應(yīng)。因此，單一的物理載荷下性能測試已不能滿足納觀材料的測試要求，兩種及兩種以上性能偶合效應(yīng)的實(shí)時(shí)測試技術(shù)已成為一個(gè)主要的發(fā)展方向。尤其，納米材料變形中，其納觀結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生顯著變化。

傳統(tǒng)的測試儀器設(shè)備不能對(duì)測試過程中材料納觀組織形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的觀測，很難將材料的納觀結(jié)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)理與材料的宏觀性能有效的結(jié)合起來綜合分析材料的性能。不管功能材料，還是結(jié)構(gòu)材料，組成這些材料的納觀結(jié)構(gòu)是決定了材料的物理性能和力-電偶和性能的決定性因素。然而長久以來，材料力-電耦合性能和AFM原子力顯微鏡測量結(jié)構(gòu)形貌是分別單獨(dú)進(jìn)行的，不能深入探究材料制備過程及不同的加工工藝過程中納觀結(jié)構(gòu)變化、成分分布特征與材料性能之間的關(guān)系。因此傳統(tǒng)的宏觀測試方法和測試裝置很難準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)納米材料的力-電耦合性能。

AFM原子力顯微鏡是測量物體表面微納觀形貌的主要工具之一，然而原子力顯微鏡的掃描探針只能通過與試樣表面原子之間的作用力探測試樣靜態(tài)下表面的微/納觀結(jié)構(gòu)，不能用于產(chǎn)生變形，因而無法直接監(jiān)測試樣在形變過程中表面微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，不能分析試樣納觀結(jié)構(gòu)的改變與材料宏觀性能變化的關(guān)系。

由于納米技術(shù)的高速發(fā)展，支撐納米技術(shù)發(fā)展的納米表征新技術(shù)也層出不窮。一些科研工作者基于以上存在的問題，發(fā)明了一些改進(jìn)的測試表征方法。如申請(qǐng)?zhí)枮?01510303120.3的《導(dǎo)電功能材料力電耦合效應(yīng)測試系統(tǒng)及其測試方法》專利可以實(shí)現(xiàn)宏觀導(dǎo)電材料動(dòng)態(tài)變化過程中力-電耦合的測試，然而對(duì)于柔彈性導(dǎo)電材料微納觀力-電耦合的測試現(xiàn)階段無法完成。如申請(qǐng)?zhí)枮?01520896619.5的《一種在掃描電鏡中進(jìn)行原位微觀力學(xué)、微結(jié)構(gòu)、成分一體化研究的裝置》可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀力學(xué)及微結(jié)構(gòu)的研究且測試精度較高對(duì)掃描電鏡成像干擾低，然而裝置復(fù)雜且裝置的成本較高，操作技術(shù)難度較大。現(xiàn)階段的設(shè)備及方法依然無法實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)測量且測試成本較高，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度大等問題也一直困擾著科研工作者。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于AFM的微/納觀力-電耦合特性測量裝置及其檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納觀導(dǎo)電性能與機(jī)械荷載耦合關(guān)系測試，測試設(shè)備簡單易操作并可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映力-電耦合作用下試樣的機(jī)械荷載、結(jié)構(gòu)與材料性能之間的關(guān)系。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。