[發明專利]一種與AFM聯用的材料微頂推裝置及其使用方法

在審

• 申請號: 202110068365.8
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112746631A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 劉易洲;許福;胡朝輝;丁燕懷;羅文波
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: E02D29/045
• 分類號: E02D29/045
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種與AFM聯用的材料微頂推裝置及其使用方法，頂推裝置和AFM替換底座，頂推裝置設置在AFM替換底座上。該頂推裝置包括AFM替換底座、絲桿、支撐臂、上部裝配式卡扣、限位及加載模塊、螺桿式機械頂推裝置、鉸鏈、實驗樣品、探針、AFM懸臂、限位鋼片、限位孔位、絲母。螺桿式機械頂推裝置頂端與卡扣嵌套連接。螺桿式機械頂推裝置放置在在AFM掃描管上方，AFM替換底座起到增高坐墊的作用。本發明與AFM聯用獲取材料的表面形貌信息、動力學響應、粘附力、動態模量、耗散值等數據。本發明通過螺桿式機械頂推裝置可以精確控制實驗樣品的向上位移和速度，同時采用限位片較為精確地控制實驗樣品向上的最大位移。

技術領域

本發明涉及一種頂推裝置及其使用方法，具體涉及一種與原子力顯微鏡聯用的材料微頂推裝置及其使用方法，屬于微觀材料領域。

背景技術

傳統的力學實驗研究難以獲取材料在變形過程中對應的微觀結構演化圖像，而通過分子模擬雖然可以提供重要的原子或分子尺度的信息，但這些模擬通常基于嚴苛的極限條件，如理想的高應變率、超低溫度或極小的樣品尺寸等，難以為實驗所驗證。原位觀測材料表面在變形過程中的力、電、熱、磁、光等性質變化，是研究材料這些性質變化對應所的材料結構機理的重要途徑。當原位觀測的尺度達到納米級甚至原子級時，這種觀測所得到的信息，可為材料的各種理論和模擬研究提供重要依據和驗證。

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。AFM可以在空氣和液體環境下對材料納米區域的物理化學性質、形貌進行原子級分辨率探測，或直接進行納米操作。它通過檢測待測樣品表面和微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時針尖將與樣品相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構信息及表面粗糙度信息。

迄今，AFM已經被廣泛應用于材料研究，AFM能被廣泛應用的一個重要原因是它具有開放性，在AFM基本操作系統基礎上，通過改變探針、成像模式或針尖與樣品間的作用力可以測量樣品的多種性質，由此產生的AFM的衍生功能模式包括：摩擦力、導電性、表面電勢、熱、電化學、電容、磁力、靜電力、化學力、相位移、納米壓痕、納米加工等。因此，AFM除了獲取材料表面形貌信息外，其在微納米力學表征方面也有很好的表現。其中，AFM的PeakForce Quantitative Nano mechanical Mapping (QNM-AFM)模式是一種重要材料結構表征手段，其中PF和QNM分別代表Peak Force Peak和定量納米力學，通過測量尖端的瞬時力能實現動態模量、剛度、粘附力、變形和耗散能等的表征，具有力學性能的高分辨率表征、對針尖和樣品無損、各種材料數據明確定量的優勢。同時，Peak Force QNM提供的微納米力學表征結果據有助于研究人員探索材料的微觀結構。

結合AFM的高精度、多功能特性，通過原位升溫等方式可以獲取材料在熱的作用下結構的演化圖像。然而，在變形過程中(如受拉)進行原位觀測通常受到諸如樣品尺寸、設備測試區空間等因素的影響，尤其難以在納米尺度捕捉到變形過程中，特別是不同的形變狀態下結構演化的細節。另一方面，如果能在材料變形過程中的某一恒定應變狀態下，即應力松弛過程中，基于AFM實時表征材料的微納米尺度的各種性質變化，并基于相應的變化分析材料的結構演化信息，將可望在材料研究領域，特別是材料流變行為的本質等方面取得重要突破。