透射电镜中原位双倾单轴拉伸纳米线、二维层状薄膜装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在透射电子显微镜中原位原子尺度研宄纳米线、二维层状薄膜在单轴拉伸过程中的力学性能的装置及拉伸方法。本发明属于纳米材料显微结构原位表征仪器设备技术领域。
【背景技术】
[0002]随着纳米器件的发展和微机械系统的开发，单根纳米线和二维薄膜在外力作用下力学性能的研宄显得尤为重要。由于纳米材料的结构细小，使得透射电子显微镜(以下称透射电镜)成为研宄纳米材料的重要工具。然而透射电镜的极靴很小，一般在几毫米左右，想要在如此狭小的空间内对纳米材料进行固定并施加应力，并且原位地观察到纳米材料的原子尺度变形机制非常困难。
[0003]北京工业大学韩晓东课题组自2006年开始发展了一系列基于碳支撑膜和热双金属的变形装置(专利号:200910086803.2，ZL200610057989.5，ZL200610144031.X，ZL200710122092.0，200810056836.8，ZL200820078706.X，200810103494.0 等)，使纳米材料在拉伸、弯曲、压缩变形条件下可以被原位地捕捉到原子尺寸的变形机制(Nano Letters7，452-457，2007 ；Advanced Materials 19，2112-2118，2007 ；Nature Communicat1ns1，24:1-8, 2010 ;Nano Lettersl3, 3812-3816，2013)0
[0004]其中基于碳支撑膜的变形技术，其工作原理是将纳米线随机分布在有碳支撑膜的金属载网上(碳膜预先被划破)，一部分纳米线刚好分布在碳膜的裂缝处。当样品在透射电镜中受到电子的辐射时，碳膜破裂的位置会发生卷曲，从而实现对纳米线的拉伸或弯曲变形。由于纳米线随机地分布在碳膜上，纳米线的拉伸方向和拉伸速度很难控制，成功率低。另外，纳米线与碳膜之间靠范德华力连接，这就要求纳米线的直径为30nm?80nm，长径比大于100。因此，基于碳支撑膜的变形技术适用范围有限(较长和直径较小的纳米线难以制备)。
[0005]对于基于热双金属片的变形装置，其工作原理是通过透射电镜加热样品杆加热，由于双金属的热膨胀系数不同导致其膨胀量不同，在加热时为了协调这种差异，双金属会产生弯曲变形。两片双金属对称排列，一端固定在外径为3_的金属环上，另一端固定纳米材料，受热后两片双金属的自由端向不同方向弯曲，从而向材料施加拉伸或压缩应力。该装置可用于从大块材料上经过纳米加工制备而成的一维纳米线和二维纳米薄膜材料的拉伸实验，但是由于样品的制备条件苛刻，一维纳米线的制备周期长，出现差错的几率大；而对于薄膜材料，适合通过磁控溅射方法制备的薄膜材料，对具有层状结构的单层或多层薄膜材料(如石墨烯，层状二硫化钼等)基本不能实现它们的变形机制的研宄。而且，由于技术的局限性，粘在金属环上的两个双金属片间距较大(20 μ m以上)，使得搭载的纳米材料悬空较多，拉伸过程中容易抖动，从而很难实现稳定拉伸和原子尺度的观察。
[0006]此外，美国Hysitron公司开发出一种商业的用于纳米线拉伸的PTP装置(US8434370B2)。操作原理是推压PTP装置的突出部分，通过装置四周的四个弹簧将压缩转化成拉伸。这种装置的缺点是利用率低，不可重复利用，并且需要配合专门的样品杆使用，价格昂贵，成本非常高。
[0007]因此发展一种既能拉伸纳米线和二维层状薄膜又能控制拉伸方向，且对样品要求不高的普适装置，仍是本领域亟待解决的问题。
【发明内容】
[0008]针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种透射电镜中原位双倾单轴装置及拉伸纳米线、二维层状薄膜的方法。该装置主要由热双金属片和载网组合而成，可以用于在透射电镜中实现对纳米线和二维层状薄膜原位单轴拉伸，同时还不损失透射电镜的大角度双轴倾转功能。该装置可应用于原子尺度下纳米线和二维层状薄膜力学性能-显微结构一体化的研宄。
[0009]为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现:
[0010]透射电镜中原位双倾单轴拉伸装置，其特征在于，它包括支撑部分、驱动部分和载网三部分；支撑部分(I)为金属圆环，金属圆环的内侧设有一水平支撑台；驱动部分(2)为两片平行且有间距的双金属片，双金属片是由非磁性的、热膨胀系数不同的两片金属通过焊压贴合在一起形成的，两片双金属片的厚度相等，呈对称排列，内侧相对的两金属是热膨胀系数相对较大的，外侧相对的两金属是热膨胀系数相对较小的，两片双金属片的其中一端均垂直固定在金属环(I)内侧的支撑台上，另一端为自由端，载网(3)为具有延展性、带孔的金属网，固定在驱动部分(2)的自由端，载网(3)与驱动部分(2)平行。
[0011]所述的支撑部分外径优选为3mm，内径为2mm，金属圆环与环内侧的支撑台构成马蹄状，“马蹄台”用于固定双金属片的一端，金属环的材质为铜、钼或其它导热的金属或合金，厚度在25 μ m?30 μ m之间。
[0012]热双金属片一端固定在金属环上，另一端可自由移动；优选驱动部分的热双金属片自由端长度大于1000 μm，两热双金属片的间距100 μπι?200 μπι，呈对称排列，两金属的热膨胀系数相差越大越明显，如铜和钛，热膨胀系数大的金属在内侧，热膨胀系数小的金属在外侧，该装置受热时，两片双金属片分别向外侧弯曲，变形位移如小于I μπι(变形位移可根据热膨胀系数差异、温度等条件的任何条件进行调节)，可以将材料的变形近似等同于单轴拉伸变形。载网(3)固定在热双金属片可自由移动的一端，所述的载网(3)通过湿法腐蚀技术制备。当热双金属片各自向外侧弯曲时，拉伸载网(3)，进而拉伸载网上搭载的纳米线/薄膜。
[0013]前面所述的载网(3)优选总长度为400 μ m，宽80 μ m，孔径2 μ m，所用材质为延展性好的金属(如铝)，通过湿法腐蚀技术制备而成。利用磁控溅射的方法在已经设计好图形的硅片上喷镀500nm厚的铝膜，浸泡在丙酮中，溶解光刻胶即可得到铝制载网。
[0014]采用上述装置拉伸纳米线的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0015](I)、将纳米线放入与其不反应的有机溶剂中(例如乙醇)，利用超声波振动分散(10?30分钟，根据纳米线的团簇程度而定)成悬浮液，将悬浮液滴在透射电镜中原位双倾单轴拉伸装置的表面上；
[0016](2)、室温中充分干燥后，利用聚焦离子束扫描电镜检查载网3表面的纳米线的分布情况，选择径向平行于拉伸方向并且搭在孔洞上的纳米线，在纳米线的两端用铂气体沉积使其固定；
[0017](3)、将搭载纳米线的透射电镜中原位双倾单轴拉伸装置装入透射电镜中的加热样品杆上，控制加热台温度，使两片双金属片受热分别向两边弯曲，从而拉伸载网，并带动纳米线拉伸，通过在透射电镜中测量纳米线的长度变化来测量位移和应变。
[0018]采用上述装置拉伸二维层状薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0019](1)、将二维层状薄膜(例如石墨烯)转移到透射电镜中原位双倾单轴拉伸装置的表面上，在室温中充分干燥，二维层状薄膜材料可以是利用化学气相沉积等法制备的；
[0020](2)、将搭载二维层状薄膜的透射电镜中原位双倾单轴拉伸装置装入加热样品杆，控制加热台温度，使两片双金属片受热分别向两边弯曲，从而拉伸载网，并带动二维层状薄膜拉伸。薄膜与载网通过范德华力结合便可以很好的实现拉伸，无需额外处理。
[0021]该装置与透射电镜加热样品杆相匹配，可以实现在高分辨透射电镜中对所搭载的单原子层薄膜材料进行拉伸，同时，还可以在原子尺度下观察材料塑性变