[发明专利]一种用于一维和二维纳米材料的微型单轴应变施加装置

说明书

本发明公开一种用于一维和二维纳米材料的微型单轴应变施加装置，包括：行程升降台，压片，衬底支撑组件，行程升降台固定支架，平板底座。通过旋转行程升降台上的旋钮来控制行程升降台的高度，进而控制压片的高度，然后再搭配两个固定的衬底支撑组件可以对条形弹性衬底形成四点的应力施加方式，进而实现对条形弹性衬底施加单轴应变的效果。其中当样品贴附在衬底上表面时，施加单轴拉伸应力；当样品贴附在衬底下表面时，施加单轴压缩应力。另外行程升降台上标有数字刻度，可以直观地控制和记录压片升降的高度。因此本发明是一个操作简单、形变量均匀可控、应变效果优良的单轴拉伸或单轴压缩应力的施加装置。

技术领域

本发明涉及一种用于一维和二维纳米材料的形变量均匀可控的单轴应变施加装置。

背景技术

早在上世纪50年代，人们就发现通过对晶体硅施加应力可以很大程度地提高其载流子的迁移率，并在实际应用中取得了巨大的商业价值。但是由于当时受到技术条件和材料制备等方面的限制，应变工程的整体发展处于不温不火的状态。直到进入新世纪以来，随着纳米材料的兴起，人们发现半导体纳米材料由于极其微小的尺度、大的体表比及高晶体质量，从而具有了非常显著的结构弹性和破裂极限强度。这为通过精确操控应力来调制材料物理特性提供了新的可能性，这其中应变调控微纳材料的光学特性尤为引起人们的兴趣，利用应变可以实现大范围光波长移动(颜色可变)、光强增强、偏振可控等，这为发展可弯曲、可穿戴的微型电子器件开辟了新的道路，具有广阔的应用前景。

由于纳米材料本身的特性，使得传统的应力施加方法已经不再适应，因此为了在纳米材料上施加超大并且可控的应力，研究人员一直致力于探索新的技术方案。其中通过将样品转移到PDMS、PET等柔性衬底上，再通过对衬底施加单轴应力，从而实现对样品的应力调控是目前较为常用的一种应变调控方式。目前这种调控方式是通过专门的调控装置来实现的，这种装置基本上都是需要搭配长条形状的衬底材料，通过手动或是机械的方法将样品转移到衬底上，然后通过压缩、拉伸衬底等来对样品施加应力，依次来改变样品的晶格常数、能带结构等，接下来再利用光学表征手段来反映出样品的物理性质的改变。

这种调控方式的设备都是采用两点弯曲的方法对衬底施加应变的，整体方案较为粗糙，无法实现均匀可控的定量化应变调控，并且目前的调控设备无法同时实现对条形衬底的拉伸和压缩，即无法实现对衬底实施的应力和张力的切换。另外，这些应变装置体形都较大，无法很好的搭配现有的显微荧光光谱测试系统，因此有很大的改进和提升的空间。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的应变装置无法实现均匀可控且应力和张力自由切换的应变调控，提出了一种可定量化的四点弯曲的微型应变调控装置，可对一维和二维纳米材料的样品施加均匀可控的单轴应变。

本发明提出的这种四点弯曲的方法，相对于传统的两点、三点弯曲来说，应力施加会更加均匀，可以实现弹性衬底精确圆弧变形。另外在使用传统应变调控装置的时候，施加应力的大小是一个非常重要的数值，目前最常用的方法是假设条形弹性衬底弯曲的曲率半径(R)大于弹性衬底的厚度(h)，并且弹性衬底的主要形变是在纵向上的，这也就意味着剪切应力和垂直于中性轴的应力可以忽略不计，基于以上的这些假设，可以得出应力公式为：

ε＝h/2R

可是目前对曲率半径R的计算是通过人工测量衬底弯曲高度和弯曲后弹性衬底的宽度，以此来估算出曲率半径，进而得到应力的大小。可是这种方法存在较大的人工误差，本发明为了克服以上的问题，专门在应变装置上设有刻度，弹性衬底的弯曲高度H可以根据刻度数值的变化直接读取，另外弹性衬底弯曲后的高度直接选取两个压片之间的距离L，如图1所示。这样可以很好的减少人工测量带来的误差，大大的提高精确度。