[发明专利]一种用于检测一维纳米材料力学性能的微结构

说明书

技术领域

本发明涉及微机械技术和纳米材料科学领域，具体说来是一种微机械结构，用于检测一维纳米材料拉伸和压缩力学性能的微结构，适合用来检测一维纳米材料杨氏模量、拉伸强度、断裂强度等。

背景技术

一维纳米材料，如纳米管、纳米线和纳米带等，是具有优异物性的低维纳米结构材料，预计在未来的纳机电系统、气体传感器、纳电子和光电子器件领域中将具有广泛的应用前景。但随着材料尺寸的减小，当减小到纳米时，尺寸效应、表面效应和量子效应等相关效应的凸显，使得纳米材料的一些物理性质与常规体材料有很大的不同，出现许多新奇的特征。纳米材料的力学特征和行为将直接影响到它的应用，以及由它构成的纳米器件和纳机电系统的功能，因此，对纳米材料力学特征和行为的研究十分重要。

目前，受限于现有的实验条件和测量技术，对纳米材料进行直接力学实验和测量还相当困难，大多数测量手段基于电子/机械或热/机械的复合系统。对在承受载荷情况下的纳米材料的原位检测手段，包括利用静电驱动或热驱动的微机电系统的拉力测量，原子力显微镜辅助的弯曲、压缩和拉伸测量等，这些测量方法要么测量不直接，要么仅能够定性地测量。大多数定性、直接地测量方法对于作用于样品的载荷和样品变形不能同时单独地测量。利用静电驱动或热驱动的测量方法中虽然可以克服上述问题，但具有实施成本高、计算误差大等缺点，并且易对样品本身产生影响。

综上所述的研究工作，新型的测量设备和测量方法需能同时测量出一维纳米材料承受载荷和变形情况，且对样品本身无影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于检测一维纳米材料力学性能的微结构，该结构能够同时得到一维纳米材料承受载荷和在载荷作用下的变形情况，并在检测过程中对纳米材料本身特性没有影响。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

本发明所述的一种用于检测一维纳米材料力学性能的微结构，包括一个框形支架，其中所述框形支架上通过至少四根对称的上竖直梁连接两个相互对称设置的上层平台；两个上层平台的两端分别通过下支撑梁支撑于框形支架的支座上；所述两个上层平台的下方通过至少四根对称的斜梁连接一个下层平台。

上述的上层平台为两个端部呈针尖状、且针尖端相对设置用于固定一维纳米材料的水平平台。

上述的在上层平台与下层平台之间设置有两组数量相等并且相对于微结构垂直中心线对称的斜梁。

所述斜梁沿上层平台的两端向微结构垂直中心线方向对称倾斜设置，或沿上层平台垂直中心线方向至下层平台上台面两端对称倾斜设置。

上述的上竖直梁和斜梁分为左右两组，每组至少采用两根上竖直梁和两根斜梁分别上下各两根连接将支架与上层平台及下层平台相连。

上述的下层平台的中部表面开有用于对微机械结构施加载荷的定位孔。

上述的下支撑梁为竖直梁或对称倾斜梁。

所述微结构采取多晶硅材质。

本发明和现有的用于检测一维纳米材料的设备有如下优点：

1.本发明的制备材料是多晶硅，制备工艺与现有的微机械加工工艺相兼容，材料成本低，制备方便，可批量制备。

2.本发明在进行一维纳米材料检测时，可同时得到施加在纳米材料两端的载荷和位移，使测量直观。

3.本发明在进行一维纳米材料检测时，通过纳米压头施加载荷，检测过程中不会对纳米材料本身的特性造成影响，保证了检测的准确性。

4.本发明中上竖直梁和下支撑梁用于支撑两个上层平台，提高了系统的刚度，可有效防止结构自身重力等因素所导致的两个上层平台之间距离的变化，这种设计可极大的减弱结构重力作用对纳米材料力学性能的影响，保证检测的准确性。

5.本发明中两个上层平台和下层平台之间的斜梁，用于两个上层平台相对运动的导向。通过改变斜梁的倾斜方向，当下层平台受到纳米压头作用力向上运动时，就可以实现两个上层平台间距的增大或减小，从而来测量纳米材料的拉伸或压缩的力学性能。

6.本发明中所涵盖的微结构既可以测量纳米材料的拉伸性能，又有可以测量纳米材料的压缩性能。

附图说明

图1(a)是本发明实施例1的结构示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。

图1(b)是本发明实施例2的结构示意图，用于测试纳米材料的拉伸性能。

图2(a)是本发明实施例3的结构示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。

图2(b)是本发明实施例4的结构示意图，用于测试纳米材料的压缩性能。

图3(a)-图3(j)是制作本发明结构过程示意图。