[发明专利]一种基于扫描电镜的纳米压痕系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于扫描电镜的纳米压痕系统。该纳米压痕系统通过由 压敏电阻组成的惠斯通电桥测量压痕仪针尖对样品所施加的力的信号以及所 发生的压痕深度。同时，该纳米压痕系统可以很好的耦合在扫描电镜中，利 用扫描电镜的高分辨率成像系统原位观察样品在受到外力作用时的形状和结 构信息的变化，属于纳米材料原位测试领域。

背景技术

近年来，纳米材料(像纳米线、纳米带、纳米薄膜、纳米棒等)，由于 其优异的力学、电学、光学等性质越来越引起人们的关注，但是由于尺寸的 限制，使的操作纳米线的方法非常有限，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 Carbon Nanotubes》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-Driven Electrical 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。

以上方法不能直观的给出施加在材料上的应力，因此对于分析材料的力 学性能有一定的难度。扫描电子显微镜是人们依赖的可以直接揭示纳米及原 子尺度信息的重要工具之一，扫描电子显微镜加速电压较低，用背散射电子 和二次电子成像，适用于多种样品形式(例如线状，块状，粉末状等)。其 相对较大的样品观察室为实施原位变形和施加外场作用提供了较方便的条 件，近年发展起来的热场发射扫描电子显微镜大幅度提高了空间分辨率和电 子束流密度，为纳米材料的研究提供了方便的手段。

在扫描电子显微镜中原位测量单根纳米线的弹性模量，塑性变形，屈服 强度和断裂强度是最直接的测试方法，同时利用背散射电子或二次电子成像 原位观察纳米线变形过程中的微结构变化，为揭示一维纳米材料变形的表面 效应、尺寸效应提供直接的实验证据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不用激光位移定位系统和传统的磁力系统进 行应力应变的测试，而是利用特制的基于压敏电阻所组成的惠斯通电桥的压 痕头对样品进行压痕操作。通过惠斯通电桥，精确的测量压痕操作时样品所 发生的应变，根据外部应力-应变测试系统测得压痕头对样品施加的应力大小， 实现对应力的传感作用。

包括底座和固定在底座一侧的样品基座，固定在底座上与样品基座相对 的另一侧的压痕头支持座；样品基座的形状为直角梯形或者直角三角形，直 角面与底座边界相接垂直于底座放置，斜边所在的的面为斜面；定义平行于 斜面的法线方向并指向样品基座斜面外部的方向为Z轴方向，定义平行于斜 面与底座交线的方向为X轴方向，定义在斜面面内垂直于斜面与底座交线的 方向为Y轴方向，X、Y、Z三轴方向满足右手螺旋定则；