专利名称：一种热驱动变形透射电镜载网及一维纳米材料变形方法
技术领域：
本发明属于纳米器件及透射电镜中原位纳米材料变形方法领域，具体涉 及一种热驱动变形透射电镜载网及一维纳米材料变形方法。
背景技术：
由于透射电镜极高的分辨能力，可以提供纳米尺度甚至原子尺度的信息， 是研究物质微观结构的有力工具，它在物理，化学，材料科学，生命科学等 领域有着广泛的应用，特别是在目前发展迅速的纳米科学和技术领域，是最 为有力的研究工具之一。透射电镜载网是用来支撑被检测的样品，目前最常 用的透射电镜载网的骨架一般为铜网，而铜网上布有非晶碳支持膜。 一般而 言，这些载网只能承载被检测的样品，透射电子显微镜只能观测分布在这些 载网上的样品的静态组织结构，不能利用这些载网对样品进行操纵，实行动态原位检测。随着微机电系统(MEMS， micro electromechanical system) 和纳机电系统(NEMS，證o electromechanical systerm)的发展，对于单根纳 米线或薄膜在外力作用下力学性能研究显的尤为迫切，但是由于单根纳米线 或薄膜结构细小，难于操纵，在透射电镜中如何对单根纳米线或纳米薄膜样 品进行固定和原位变形，从纳米尺度和原子层次揭示纳米材料在外力作用下 变形机制，和尺寸效应成为摆在研究人员面前的难题。目前在透射电镜中由 于受到样品台与极靴极为有限的空间， 一般是l 3mm，在原子尺度分辨率下 对于单根纳米线或纳米薄膜的操纵和力学性能的直接测量非常困难，文献中 已经报道的主要有三种方法。一种是方法报道于《Applied physics letters》2002年80巻第21期，其主要原理是利用特殊沉积的压电陶瓷薄膜(PZT)做为载网，将研究的薄膜沉积在压电陶乾表面，用可以通电的透射电镜样品杆将载网和样品放入透射 电子显微镜中，在电场的作用下压电陶瓷的变形实现对薄膜的拉伸和压缩操作，同时利用透射电^:成^f象系统记录薄膜的疲劳断裂变化过程。该方法样品 制作过程较复杂，由于样品杆倾转角度的限制(一般只能单轴倾转或双轴倾转±5° )，不能在最佳分辨率情况下(高分辨原子尺度)进行原位观察，不能从根本上了解其变形机制。页和《Nature》2006年439巻281页，其主要原理是将扫描隧道显微镜探针 放入透射电子显微镜种，利用外接控制系统控制探针运动来操纵单根碳纳米 管，实现对碳纳米管的拉伸变形，利用导电的探针实现了在通电的同时对碳 纳米管的拉伸，发现了碳纳米管在电流作用下高温超塑性变形行为和断裂机 制。这种方法虽然对精心设计的样品可以实现原子分辨，并同时进行拉伸和 通电测量，但由于较为复杂的机械结构放入透射电镜样品室中，样品台只能 小角度倾转(土5。)或只能单轴倾转(不超过±20° )，仍然限制了其应用 范围，不利于普及推广。第三种方法报道与《Nano Letters》2007年第第94巻236802页和 《Advanced Materials》2006年439巻281页，其主要是利用一种特制的碳 膜，利用电子束辐照诱发破裂的碳膜发生巻曲，从而实现对分散其上的一维 纳米材料的弯曲和拉伸，这种方法可以实现大角度双轴倾转，从而可以得到 变形期间原位的高分辨图像，而且实验过程简单、成本不高。但是利用电子 束辐照诱发石友膜的巻曲可控性较差，应力的施加及应变速率比较难控制，而 且提供的应力有限，对有些强度较大的材料很难进行变形。上述的透射电镜原位纳米材料力学性能测试中，前两种样品操纵台或载 网均不能实现大角度双倾，对于大部分需要在正带轴下实时观察在外力作用 下结构变化的纳米材料，其应用受到限制。而第三种方法的可控性较差，并 且提供的应力有限，许多材料不适合此种方法。发明内容本发明的目的在于，解决现有技术中的问题，而提供一种可以实现大角 度倾转，可控性强的热驱动变形透射电镜载网及其对一维纳米材料变形的方 法。本发明所提供的载网，包括骨架(1)和蒸镀在骨架(1)上的支持膜(2 )， 其特征在于，还包括金属薄膜A (3)(又称主动层)和金属薄膜B (4)(又称 被动层)；其中，金属薄膜A (3)蒸镀在支持膜(2)之上，金属薄膜B (4) 蒸镀在金属薄膜A ( 3 )之上，且金属薄膜A ( 3 )的热膨胀系数要大于金属薄 膜B (4)的热膨胀系数。其中，所述的金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 )的厚度为20 ~ 50nm。为了保证在 较低温度下实现较大的弯曲变形，两种金属薄膜A (3)和B (4)的比弯曲大 于10/1(T6 .°C-、如一些商用的双金属片材料，金属薄膜A( 3 )可以为Mn75Nil5 或Ni20Mn6Fe74或Mn72NilOCu18等；金属薄膜B (4)可以为Ni36Fe64或 Ni42Fe58等。本发明所提供的载网，通过如下步骤制作采用物理蒸发镀膜工艺，在 常规透射电镜载网的支持膜(2)的上表面(常用载网一般是以铜网为骨架， 在铜网上蒸镀碳膜)，蒸镀两层膨胀系数差异较大的金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 )。 本发明所提供的载网对一维纳米材料变形的方法，包括如下步骤 1)将载网的金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 )预制微裂紋(5 )(可以通过刀片5轻轻划裂薄膜或其它适合方法)；2 )将一维纳米材料进行超声分散后，滴到透射电镜载网的金属薄膜B( 4 )上；3) 将热驱动变形的透射电镜载网固定在可加热的透射电镜样品杆上，放 入透射电镜中；4) 找到金属薄膜B ( 4 )微裂紋(5 )处有一维纳米材料存在的地方进行 观察，并通过电子束焊接的方法进行样品的固定，然后利用加热杆对载网进 行力口热；5) 通过透射电镜的高分辨原子图像实时原位记录纳米线的变形过程和晶 格结构变化。随着温度的升高，由于金属薄膜A (3)和B (4)的热膨胀系数不同，微 裂紋(5)处发生巻曲，进而拉伸或弯曲固定在其上的一维纳米材料。通过对 变形前后一维纳米材料微结构变化的实时高分辨图像的对比分析，可以在原 子层次上揭示一维纳米材料在弹塑性变形的特点，变形的尺寸效应，变形过 程中位错的产生，以及裂缝的扩展变等反映材料力学性能的微观组织结构。本发明具有如下优点1、 本发明所提供的热驱动变形透射电镜载网，能够实现载网薄膜的受热 变形，载网外形尺寸与现有技术载网完全一致，可以方便的装入高分辨透射 电镜中，可以实现X， Y两个方向大角度倾转(目前商业化双倾加热台可以达 到±30。 /±60° )。2、 本发明热驱动变形透射电镜载网对一维纳米材料变形方法，实现了一 维纳米材料的原位变形操作，具有性能可靠，安装方便，结构简单的特点， 拓了透射电镜的功能。
图1、热驱动变形透射电镜载网的横截面结构示意图。图2、热驱动变形的透射电镜载网透射电镜照片。图3、金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 )受热后的巻曲拉伸Si纳米线的透射电镜照片。
具体实施方式
实施例采用常规物理蒸发镀膜工艺，制作热驱动变形透射电镜载网，如图1所示， 骨架(1 )(铜网)上布有支持膜(2 )(碳膜)，支持膜(2 )的上表面依次蒸 镀有金属薄膜A( 3 )和金属薄膜B( 4 );其中，金属薄膜A( 3 )采用Mn72NilOCu18 合金制作，金属薄膜B ( 4 )采用Ni36Fe64合金制作，金属薄膜A ( 3 )的厚 度为30nm,金属薄膜B (4)的度为30nm。利用热驱动变形透射电镜载网对一维纳米材料的变形1) 将载网的金属薄膜A (3)和B (4)用刀片预制一些微裂紋(5)，如 图2所示，黑色区域为骨架(l)(铜网)，灰色圆孔区域为支持膜(2)(-灰膜)、 金属薄膜A ( 3 )和金属薄膜B ( 4 ),空白处为微裂紋(5 );2) 将超声波震荡分散好的Si纳米线(在无水乙醇中)滴到载网金属薄 膜B ( 4 )之上；3) 将载网固定在透射电镜加热样品杆上；4) 加热载网，利用透射电镜观测一纳米线的变形并进^f亍纳米尺度或原子 尺度记录过程。通过观测，发现Si纳米线在变形期间表现出大的应变塑性，这不同于其 体材料的脆性，Si在纳米尺度下表现出与大块体材料不同的变形方式，如图 3所示。最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描 述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详 细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行 修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其 均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1. 一种热驱动变形透射电镜载网，包括骨架(1)和蒸镀在骨架(1)上的支持膜(2)，其特征在于，还包括金属薄膜A(3)和金属薄膜B(4)；其中，金属薄膜A(3)蒸镀在支持膜(2)之上，金属薄膜B(4)蒸镀在金属薄膜A(3)之上，且金属薄膜A(3)的热膨胀系数要大于金属薄膜B(4)的热膨胀系数。
2、 根据权利要求1所述的载网，其特征在于，所述的金属薄膜A ( 3 )的厚度 为20 50nm。
3、 根据权利要求l所述的载网，其特征在于，所述的金属薄膜B ( 4 )的厚度 为20~ 50nm。
4、 根据权利要求1所述的载网，其特征在于，所述的金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 ) 的比弯曲大于10/10—6 IT1。
5、 一种一维纳米材料变形方法，其特征在于，包括以下步骤1) 将透射电镜载网的金属薄膜A ( 3 )和B ( 4 )预制《鼓裂紋(5);2) 将一维纳米材料分散在射电镜载网的金属薄膜B (4)之上；3) 再将载有一维纳米材料的射电镜载网固定于透射电镜样品加热杆上；4) 通过加热杆加热载网，使金属薄膜A (3)和B (4)发生巻曲，变形 一维纳米材料。
全文摘要
一种热驱动变形透射电镜载网及一维纳米材料变形方法属于纳米器件及透射电镜中原位纳米材料变形方法领域。现有载网只能通过电子束辐照进行变形，且提供应力有限。本发明的载网是在现有载网的支持膜上蒸镀金属薄膜A和B，金属薄膜A的热膨胀系数要大于金属薄膜B。本发明的载网对一维纳米材料的变形方法将金属薄膜A和B划破后，将一维纳米材料分散在其上，放入透射电镜中加热，破裂的两层薄膜由于膨胀系数的不同发生卷曲，从而提供变形一维纳米材料的驱动力并实现一维材料的变形。本发明载网可以实现X，Y两个方向大角度倾转，实现一维纳米材料的原位变形操作，具有性能可靠，安装方便，结构简单的特点，拓了透射电镜的功能。
文档编号H01J37/20GK101252073SQ20081010349
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月7日 优先权日2008年4月7日
发明者泽 张, 坤 郑, 韩晓东 申请人:北京工业大学