[发明专利]一种测量二维材料杨氏模量的鼓泡装置及测量方法

说明书

本发明提供了一种测量二维材料杨氏模量的鼓泡装置及测量方法，所述的鼓泡装置包括依次连接的加压系统和压力腔体；所述压力腔体顶部开设有上气口；所述上气口处固定有用于承载待测二维材料的承载衬底；所述承载衬底与上气口对应位置处开设有通孔。本发明通过自行设计加工的鼓泡装置对二维材料实施大范围的压力调控、变形可控、连续应变加载，结合原子力显微镜原位表征鼓泡形貌，基于薄膜理论计算得到相应材料的杨氏模量数值。

技术领域

本发明属于力学测量领域，涉及一种测量二维材料力学性能的鼓泡装置及测量方法方法，尤其涉及一种测量二维材料杨氏模量的鼓泡装置及测量方法。

背景技术

石墨烯因在物理、化学、力学等方面表现出新颖且独特的性质，掀起了二维晶体材料(石墨烯、氮化硼、黑磷和过渡金属硫化物等)的研究热潮。当这些晶体材料的厚度降低至原子级别，二维尺度内的量子局限效应使其表现出与宏观块体截然不同的物性，预期在光电器件、微纳米机电系统以及纳米复合材料等领域有着巨大的潜在应用前景。而在实际应用中，二维材料本征力学性能和界面力学问题不容忽视，它们不仅决定了器件结构、制备，更影响着器件性能稳定性、可靠性和服役寿命；另一方面，它们也主导了二维材料在外界刺激下的力学响应，对微纳尺度下的应变工程具有指导意义。

由于二维晶体材料独特的二维结构和原子级厚度，传统的力学性能测试方法已不再适用，发展高精度普适性的力学表征方法和测量技术一直是研究核心和难点。目前能够适用于二维材料力学性能的测试技术比较亟需，主要包括柔性基体加载、面内原位拉伸、纳米压痕法和鼓泡法。受传统力学测试技术启发，将二维材料转移至高分子柔性基体表面，通过对基体进行面内轴向拉伸或者三点/四点弯曲变形，以实现对二维材料的可控变形加载，进而借助显微拉曼光谱技术监测其力学响应。但是，由于二维材料原子级光滑的表面，其与高分子基体之间往往是弱的范德华力作用，黏附能很低，二维材料与衬底界面处很容易产生滑移，因此可获取的应变范围非常有限。Jang等基于微机电系统(MEMS器件)的微纳米力学加载装置,在扫描电镜下通过对悬浮石墨烯原位拉伸并研究其断裂行为，在记录应力-应变曲线同时还可以原位观察材料变形和断裂的过程。同样的测试技术被运用于表征二硒化钼断裂行为和多层二硫化钼的力学性能测量，揭示二硫化钼片层厚度对断裂模式的影响。但测试过程中电子束对二维材料结构的破坏和缺陷引入是难以避免的。基于原子力显微技术的纳米压痕测试法是目前获取二维材料力学参数最常用的方法之一，2008年Lee等利用该方法对机械剥离在圆孔阵列硅衬底上的石墨烯进行纳米压痕实验，首次实现了单层石墨烯杨氏模量和断裂强度的实验测量。随后，纳米压痕技术被运用于六方氮化硼、二硫化钼和黑磷等众多二维材料的力学性能测试中。但是纳米压痕测试技术测量得到力信号是材料与针尖接触部分的局部响应，并不能全面反映二维材料整体力学响应；并且针尖处往往存在应力集中，在二维材料中的应变场不均匀。