[实用新型]透射电镜用原位双轴倾转纳米压痕仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种透射电子显微镜中原位双轴倾转纳米压痕仪装置。该装置将一条测力悬臂梁固定在热双金属片上，将此热双金属片固定在透射电镜用铜环上，通过对热双金属片加热的方法悬臂梁针尖对纳米材料的压痕操作。原位图像记录系统记录悬臂梁的形变来获得力学信号，同时保持着X、Y轴两个自由度，在压缩的同时利用透射电子显微镜对纳米材料的结构进行实时原位原子尺度的观测，属于纳米材料原位测试方法领域。 

背景技术

随着微电子技术和微系统的发展，许多微笑结构得到了实际的应用。同时，材料在微小尺度下的力学性能也逐渐成为人们关注的对象，材料的微观力学性能研究也随之开展起来。在应力和载荷的作用下，这些微小构件常常会表现出与宏观条件下所不同的特性，因而引起了人们的极大关注。目前，这一领域已成为科学前沿和研究热点。但是对于低维纳米材料的力学性质的研究却处于相对落后的状态。经过几十年的努力，人们已经发展了多种纳米材料力学性能测试系统，其中的纳米压痕技术，由于其技术方法的日渐成熟，可以实现对纳米线、纳米颗粒、纳米薄膜等材料的力学测试试验以及对材料模量、硬度等基本物理量的精确表征使得纳米压痕技术成为一种非常流行的原位测试技术。但是，由于纳米压痕技术不能给出原位原子尺度的信息，因此很多情况下，都需要通过后位的观察来推测材料应变状态下的变形机制，这就给人们正确理解材料变形机理造成了障碍。透射电镜发展以后，逐渐成为揭示材料原子尺度结构信息的表征手段和方法，但是由于其狭小的样品室空间的限制，在如此狭小的样品室空间内实现对材料应力施加的同时实现对材料变形过程中原位、原子尺度下结构信息的揭示就显得非常困难。因此，目前摆在研究人员面前的难题是如何在透射电镜中实现材料的原位压痕变形等操作。 

目前，许多商业公司和实验室投入大量的人力、物力来开发原位力学性能测试产品并取得了喜人的经济效益，如美国Gatan公司生产的654单倾拉伸样品杆，可以实现透射电镜中原位拉伸操作，实现材料应变状态下结构演变信息的研究，但是由于损失了Y轴倾转自由度，对于晶体材料而言，无法实现原位原子尺度下显微组织结构的演变信息；此外，Nanofactory公司生产的STM-TEM样品台可实现材料的变形操作，但是，由于同样损失了Y轴自由度，因此实现原位原子尺度的变形操作也比较困难，对于需要在低指数正带轴下观察的晶体样品就显得力不从心了，也因此而限制了其应用范围。美国Hysitron公司生产的PI-95透射电镜样品杆可以方便的进行定量纳米压痕和纳米划痕测试，但是同样只有X轴倾转自由度，Y轴倾转自由度的损失在一定程度上限制了此样品杆的应用范围。 

需要特别指出的是，以上这些方法已经能够实现材料的应变状态下的力学性能测试，利用上述方法，研究者已经取得了非常好的研究结果，但是由于无法实现Y轴的倾转，从而使得在低指数正带轴下原子尺度观测材料显微组织结构变化的几率大大降低，不利于原子尺度结构演变机制的揭示，这就对人们正确理解材料应变物理带来了巨大的挑战。此外，由于此类样品台的设计成本非常高，也不利于此类产品的普及推广。因此，设计一种简单方便、成本低廉，同时不损失Y轴倾转自由度的透射电镜用原位双轴倾转纳米压痕仪，系统研究纳米线、纳米颗粒、纳米薄膜等材料的力学性能是一项非常具有挑战性且非常重要的工作。 

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于热双金属片和测力悬臂梁针尖的透射电镜用原位双轴倾转纳米压痕仪，它将被用在透射电镜中实现对纳米材料原位压痕操作变形实验，同时利用该透射电镜用原位双轴倾转纳米压痕仪可以定量的测得施加在纳米材料的力学信号，实现原子尺度显微组织结构变化信息与力学信号相对应，考察纳米材料的力学性能。 

该透射电镜用原位双轴倾转纳米压痕仪与现在所用的透射电镜载网尺寸相当，固定在现有双倾透射电镜加热台上，不受样品驱动元件尺寸的限制，放入透射电子显微镜中可以实现大角度倾转（目前商业化双倾加热台可以达到±30°/±60°），使样品能方便的倾转到晶体样品的低指数正带轴下，实现原子层次分辨的同时实现纳米材料的原位变形操作，同时，利用其上配备的悬臂梁针尖可以定量的测出施加在纳米材料上的力的大小，通过图像记录系统实时记录悬臂梁变形过程，给出材料变形过程中的力学加载信号。