[实用新型]低维材料应力状态下性能测试装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种在光学显微镜(以下简称光镜)和扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜)下测试低维材料在应力状态下光学、电学性质的拉伸装置。本实用新型利用压电陶瓷精确的变形量实现低维材料拉伸或压缩变形的同时利用所配备的双悬臂梁(硬悬臂梁和软悬臂梁)实时的监测施加在材料上的应力信号。另外，可以利用该装置进行低维材料在应力状态下拉曼光谱、光致发光光谱等光学性质的研究，属于低维材料应力状态下综合性能测试领域。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，低维材料(像纳米线、纳米带、纳米薄膜、纳米棒等)越来越受到人们的关注，但是由于尺寸的限制，使得不能向操作宏观材料一样操作低维纳米材料，因此，对于低维材料在应力状态下性质的变化的研究相对落后，然而，作为将来纳米器件的基本元件的地位材料在应力作用下的服役情况及可靠度却极大的影响着材料的性能，发展测试低维材料在应力状态下的性质的方法就显得尤为重要。

目前，用来测试低维纳米材料在应力作用下的性能的方法大致有以下几种。

一、利用扫描探针显微镜(SPM，包括AFM、STM等)实现低维纳米材料应力作用下性质的研究，2007年Xiaojie Duan等发表在《Nano letters》上的《Resonant Raman Spectroscopy of Individual Strained Single-Wall CarbonNanotubes》利用原子力显微镜的原子力探针分别给单根超长单壁碳纳米管施加一个扭转力矩和单轴应变，发现碳纳米管的拉曼谱峰出现了不同方式的频移。而且通过拉曼峰强度的变化揭示应变对电子能带结构的影响。但是，这种方法还不能准确实时的给出材料所发生的应变，同时无法实时给出应变与拉曼光谱频移之间的对应关系。

二、透射电镜结合扫描探针显微镜实现纳米材料在应力作用下的电学性能的测试。Xuedong Bai等发表在《Nano letters》上的题为《Deformation-DrivenElectrical Transport of Individual Boron Nitride Nanotubes》就研究了单根BN纳米管在应力状态下导电性质的变化。发现原本是绝缘体的BN纳米管在受到应力弯曲变形后导电性变成了半导体的导电特性，而当应力撤去后还能回复到绝缘体的导电特性。本方法还只是定性的给出作用力与材料导电性能之间的关系，不能定量的给出施加多大的力，或者发生多大的应变能够导致材料导电性质的变化。

实用新型内容

针对现有技术问题，该实用新型提供一种简便有效的纳米材料的拉伸装置及方法，利用该装置方法可以实现对于一维、两维纳米材料的拉伸与压缩操作，并在进行上述操作的同时实时的观察施加在纳米材料上的力的信号。通过压电陶瓷精确控制纳米材料的形变速率，可以精确的控制施加在材料上的应力，从而得到所施加应力与材料电学、光学性能变化之间的关系。

为了实现上述目的，该低维材料应力状态下性能测试装置，其特征在于：包括底座1和一端固定在底座1上另一端为自由端的压电陶瓷2，用支撑柱3将压电陶瓷2支撑在底座1上以保证压电陶瓷2受力均匀。在底座1固定压电陶瓷2的一侧同时还加装了一个三轴(X、Y、Z)位移调节装置4，三轴位移调节装置4的自由端位于压电陶瓷2的上方并在其上固定着支撑台I5，软悬臂梁6固定在支撑台I5上，压电陶瓷2的自由端上固定着支持座7，支持座7为一侧固定在压电陶瓷2上，另一侧位于压电陶瓷2的上方，并与三轴位移调节装置4自由端相对平行放置，支持座7上固定着支撑台II8，硬悬臂梁9固定在支撑台II8上。压电陶瓷2通过外接引线10连接到外加驱动电源11上。

在该装置的底座1的上平面还可安装精密激光定位系统12，并将激光定位系统12外接到外部计算机处理系统13，通过分析软件可以获得软悬臂梁6发生的精确变形量。

在光学显微镜下，通过调节三轴位移调节装置4改变软悬臂梁6的空间位置使得软悬臂梁6和硬悬臂梁9在同一个平面上，相对距离在2～50μm之间。通过外接引线10分别将压电陶瓷2的正负极与外加驱动电源11的正负极连接，调节施加在压电陶瓷2上的直流电压值，压电陶瓷2的自由端就会发生背离固定端的位移，带动固定在压电陶瓷2自由端的支持座7发生相应的位移，固定在支持座7上的支撑台8会带动硬悬臂梁9发生相应的位移，从而实现对固定在软悬臂梁6和硬悬臂梁9上的样品的拉伸变形操作。由于样品受到两条悬臂梁的作用力，使得软悬臂梁6会发生弯曲变形，从而可以测得施加在样品上的力的值。