一种微小材料拉伸方法、装置及系统的制作方法

文档序号:10665480
一种微小材料拉伸方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种微小材料拉伸装置,本发明的所述装置包括:材料承载单元,用于承载并固定微小材料;驱动单元,用于固定所述材料承载单元,并利用温度对所述材料承载单元施加拉力;支撑单元,用于固定所述驱动单元;所述材料承载单元设置在所述驱动单元上;所述驱动单元设置在所述支撑单元上。本发明还同时公开了一种微小材料拉伸方法和一种力学性能检测系统。
【专利说明】
一种微小材料拉伸方法、装置及系统
技术领域
[0001]本发明属于纳米材料性能测试技术领域,尤其涉及一种微小材料拉伸方法、装置及系统。
【背景技术】
[0002]近年来,由于半导体线宽的限制,人们将未来半导体业界的新一代技术革命的希望寄托在了尺寸在100纳米以下的纳米材料上,包括以一维纳米线、纳米管、纳米棒;二维纳米薄膜、纳米环;三维纳米(中空)球等各式材料。由于纳米材料的尺寸极其微小,在以他们为基本单元的纳米器件中,这些微小的材料不可避免的会受到外界环境及各种外场的影响,包括力场、热场、磁场和电场等等。因此,针对此类微小个体的各种性能的测试就显得尤为重要,因为这将决定器件的可靠性和稳定性。在纳米材料诸多优异性能中,力学性能一直是人们关注的焦点,随着尺寸的减小,纳米材料表现出了与其宏观材料迥异的力学性能,针对材料微观力学性能的研究也越来越多,但是由于技术上的限制,世界上只有几个课题组在做相关的研究工作。
[0003]目前,针对纳米材料力学性能的研究,人们已经陆续开发了多种纳米材料力学性能测试技术。各大电子显微镜辅助器材生产厂家针对纳米材料的力学性能的研究生产了若干种产品。例如美国Hysitron公司生产的P1-95型纳米压痕仪是针对透射电子显微镜而推出的一款纳米力学测试系统,可以实现纳米材料的压缩和拉伸变形操作。单志伟教授领用该系统验证了镍(Ni)单晶样品变形过程中的位错饥饿机制,随后在金属弹塑性变形机制的研究上做了大量的工作。美国Nanofactory公司生产的TEM-STM样品杆也可以实现在透射电镜中压痕试验,这些产品都对纳米材料力学性能的研究起到推动作用,Jianyu Huang领导的课题组利用该实验装置在金纳米线的变形机制上做了大量的研究工作。
[0004]然而,以上几种系统的价格极其昂贵,并且无法方便的获得原子尺度形变信息,因此,对于其自身的应用推广受到了很大的限制。此外,由于制备方法的限制,有些材料不能制备出大范围的结构均一的样品,例如无缺陷一维纳米材料,无缺陷二维纳米薄膜等材料。当此类材料的尺寸较小时,如长度小于2微米的纳米线、纳米管、纳米棒,长度在上述范围内且厚度在几纳米甚至是几十埃米或是单原子层的纳米薄膜等等时,由于缺乏对此类材料进行力学性能研究的方法,对于其力学行为的理解较少,大大限制了此类材料的制备及应用。

【发明内容】

[0005]有鉴于此,本发明实施例期望提供一种微小材料拉伸方法、装置及系统,至少能解决现有纳米材料力学性能测试方法无法获得纳米材料原子尺度的形变信息等技术问题。
[0006]本发明实施例的技术方案是这样实现的:
[0007]本发明实施例提供了一种微小材料拉伸装置,所述装置包括:
[0008]材料承载单元,用于承载并固定微小材料;
[0009]驱动单元,用于固定所述材料承载单元,并利用温度对所述材料承载单元施加拉力;
[0010]支撑单元,用于固定所述驱动单元;
[0011]所述材料承载单元设置在所述驱动单元上;所述驱动单元设置在所述支撑单元上。
[0012]上述方案中,所述材料承载单元包括承载膜,所述承载膜上具有设定形状和设定尺寸的孔。
[0013]上述方案中,所述驱动单元包括第一驱动子单元和/或第二驱动子单元;所述第一驱动子单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述第一驱动子单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空;所述第二驱动子单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述第二驱动子单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空。
[0014]上述方案中,所述驱动单元还包括固定单元,所述固定单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述固定单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空。
[0015]上述方案中,所述第一驱动子单元包括第一热双金属片;所述第一热双金属片包括第一金属片和第二金属片,所述第一金属片和第二金属片接触;所述第一金属片和第二金属片的线膨胀系数不同;所述第一金属片和第二金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第二驱动子单元或固定单元的第一拉力。
[0016]上述方案中,所述第二驱动子单元包括第二热双金属片;所述第二热双金属片包括第三金属片和第四金属片,所述第三金属片和第四金属片接触;所述第三金属片和第四金属片的线膨胀系数不同;所述第三金属片和第四金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第一驱动子单元或固定单元的第二拉力。
[0017]本发明实施例还提供了一种微小材料拉伸方法,所述方法包括:
[0018]将微小材料固定在材料承载单元上;
[0019]驱动单元利用温度对所述材料承载单元施加拉力,进而使得所述材料承载单元对微小材料进行拉伸。
[0020]上述方案中,所述驱动单元利用温度对所述材料承载单元施加拉力包括:
[0021]从所述驱动单元的第一驱动子单元、第二驱动子单元和固定单元中选择任意两个单元作为拉力组合;
[0022]将所述材料承载单元设置在所述拉力组合之间;
[0023]所述拉力组合利用温度对所述材料承载单元施加拉力。
[0024]本发明实施例还提供了一种力学性能检测系统,所述系统包括上述任一所述的微小材料拉伸装置。
[0025]本实施例的微小材料拉伸装置通过材料承载单元对微小材料进行承载并固定;驱动单元利用温度产生精确形变,对材料承载单元施加拉力,进而实现对微小材料的原子尺度的拉伸形变。
【附图说明】
[0026]图1为实施例1的微小材料拉伸装置的组成结构图;
[0027]图2为实施例1的驱动单元的结构示意图;
[0028]图3为实施例2的微小材料拉伸方法的流程图;
[0029]图4为实施例2的驱动单元102利用温度对所述材料承载单元101施加拉力的流程图;
[0030]图5为实施例4的对微小纳米线和承载膜1011的操作示意图;
[0031]图6为实施例4的对微小纳米薄膜和承载膜1011的操作示意图。
[0032]为了能明确实现本发明的实施例的结构,在图中标注了特定的尺寸、结构和器件,但这仅为示意需要,并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中,根据具体需要,本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改,所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
【具体实施方式】
[0033]在以下的描述中,将描述本发明的多个不同的方面,然而,对于本领域内的普通技术人员而言,可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言,阐述了特定的数目、配置和顺序,但是很明显,在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下,为了不混淆本发明,对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
[0034]实施例1
[0035]为了解决现有纳米材料力学性能测试方法无法获得纳米材料原子尺度的形变信息等技术问题,本实施例提供了一种微小材料拉伸装置,如图1所示,本装置包括:
[0036]材料承载单元101,用于承载并固定微小材料;本实施例所述的微小材料是指长度和宽度分别在几十纳米到几微米范围,厚度在几十埃到十几纳米范围的材料。材料承载单元101用于承载微小材料,由于材料承载单元101在微小材料的拉伸过程中要受力进而对微小材料进行拉伸,所以还需要对微小材料进行固定,否则无法实现对微小材料的拉伸操作。
[0037]驱动单元102,用于固定所述材料承载单元101,并利用温度对所述材料承载单元101施加拉力;材料承载单元101固定在驱动单元102上,驱动单元102属于热敏部件,能够根据温度的变化产生不同形变,进而对材料承载单元101施加不同的拉力。由于驱动单元是利用温度产生形变的,而温度的值很容易控制,因此,通过控制温度就能够控制驱动单元的精确形变,实现对被测量微小材料的原子尺度的力学性能测试。
[0038]支撑单元103,用于固定所述驱动单元102 ;所述材料承载单元101设置在所述驱动单元102上;所述驱动单元102设置在所述支撑单元103上,因此,支撑单元103就实现了对材料承载单元101和驱动单元102的固定。
[0039]本实施例的微小材料拉伸装置通过材料承载单元101对微小材料进行承载并固定;驱动单元102利用温度产生精确形变,对材料承载单元101施加拉力,进而实现对微小材料的原子尺度的拉伸形变。
[0040]具体的,所述驱动单元102包括第一驱动子单元1021和/或第二驱动子单元1022 ;所述第一驱动子单元1021的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述第一驱动子单元1021的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空;所述第二驱动子单元1022的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述第二驱动子单元1022的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空。
[0041]由于微小材料的力学性能各不相同,对于某些力学性能不高的微小材料,如果第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022同时对微小材料施加拉力,就可能无法获得力学性能的准确形变信息。为此,可以采用一个驱动子单元(第一驱动子单元1021或第二驱动子单元1022)和一个不随温度发生形变的单元对这类微小材料进行实验。
[0042]因此,所述驱动单元102还可以包括固定单元1023,所述固定单元1023的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述固定单元1023的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空。这样就构成了第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022(图2(a))、第一驱动子单元1021和固定单元1023 (图2 (b))、固定单元1023和第二驱动子单元1022 (图2 (c))三种测量微小材料的拉力组合,如图2所示。
[0043]为了便于对材料承载单元101施加均匀的拉力,每种拉力组合之间平行设置,并保持设定的距离,设定的距离用于便于根据被测量的微小材料的尺寸等条件对微小材料进行测量或观察。具体的,第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022间隔第一设定距离平行设置;或所述第一驱动子单元1021和固定单元1023间隔第二设定距离平行设置;或所述第二驱动子单元1022和固定单元1023间隔第三设定距离平行设置。第一设定距离、第二设定距离和第三设定距离可以取相同的数值,也可以各不相同,视具体的微小材料和场景而定。
[0044]本实施例的所述材料承载单元101包括承载膜1011 ;当拉力组合为第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第一驱动子单元1021的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述第二驱动子单元1022的第二端;相应的,当拉力组合为第一驱动子单元1021和固定单元1023时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第一驱动子单元1021的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述固定单元1023的第二端;当拉力组合为第二驱动子单元1022和固定单元1023时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第二驱动子单元1022的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述固定单元1023的第二端。
[0045]为了进一步对微小材料进行实验,针对不同材质的微小材料,对应地对承载膜1011也要进行处理。当被测量的微小材料的尺寸和承载膜1011的尺寸属于同一数量级的时候,可以直接在承载膜1011上对微小材料进行拉伸实验。当被测量的微小材料的尺寸比承载膜1011的尺寸小很多的情况下,则需要对承载膜1011进行处理,以满足微小材料的尺寸要求。为此,本实施例的承载膜1011可以设置多种孔,孔的形状和尺寸可根据被测量的微小材料的尺寸而定。
[0046]本实施例的驱动单元102是利用温度对材料承载单元101施加拉力的,因此,驱动单元102包含的第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022都选用热敏材料。为了对材料承载单元101施加的拉力做到具有方向性,并尽量实现量化。本实施例的第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022可采用热双金属片,热双金属片能够对拉力的方向进行控制,并且,热双金属片的材料、尺寸等参数也可以设定,通过对温度的控制,容易实现形变的量化控制,以便实现对微小材料原子尺度的力学性能测试。具体的,本实施例的所述第一驱动子单元1021包括第一热双金属片;所述第一热双金属片包括第一金属片和第二金属片,所述第一金属片和第二金属片接触;所述第一金属片和第二金属片的线膨胀系数不同,这样就能使第一驱动子单元1021具有方向性;所述第一金属片和第二金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第二驱动子单元1022或固定单元1023的第一拉力。对应的,所述第二驱动子单元1022包括第二热双金属片;所述第二热双金属片包括第三金属片和第四金属片,所述第三金属片和第四金属片接触;所述第三金属片和第四金属片的线膨胀系数不同,这样就能使第二驱动子单元1022具有方向性;所述第三金属片和第四金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第一驱动子单元1021或固定单元1023的第二拉力。
[0047]实施例2
[0048]本实施例和实施例1属于同一发明构思。本实施例提供了一种微小材料拉伸方法,如图3所示,所述方法包括:
[0049]步骤S201:将微小材料固定在材料承载单元101上;
[0050]材料承载单元101用于承载并固定微小材料;材料承载单元101用于承载微小材料,由于材料承载单元101在微小材料的拉伸过程中要受力进而对微小材料进行拉伸,所以还需要对微小材料进行固定,否则无法实现对微小材料的拉伸操作。所述材料承载单元101包括承载膜1011,当被测量的微小材料的尺寸和承载膜1011的尺寸属于同一数量级的时候,可以直接在承载膜1011上对微小材料进行拉伸实验。当被测量的微小材料的尺寸比承载膜1011的尺寸小很多的情况下,则需要对承载膜1011进行处理,以满足微小材料的尺寸要求。为此,本实施例的承载膜1011可以设置多种孔,孔的形状和尺寸可根据被测量的微小材料的尺寸而定。
[0051]步骤S202:驱动单元102利用温度对所述材料承载单元101施加拉力,进而使得所述材料承载单元101对微小材料进行拉伸。
[0052]将微小材料固定在材料承载单元101上后,通过调整温度,使得所述驱动单元102对所述材料承载单元101施加拉力,固定在所述材料承载单元101上的微小材料也相应受到所述驱动单元102的拉力,实现了拉伸。
[0053]具体的,如图4所示,步骤S202中所述驱动单元102利用温度对所述材料承载单元101施加拉力包括:
[0054]步骤S2021:从所述驱动单元102的第一驱动子单元1021、第二驱动子单元1022和固定单元1023中选择任意两个单元作为拉力组合,拉力组合包含的两个子单元平行设置;
[0055]本实施例的所述驱动单元102包括第一驱动子单元1021和/或第二驱动子单元1022 ;所述第一驱动子单元1021的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述第一驱动子单元1021的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空;所述第二驱动子单元1022的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述第二驱动子单元1022的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空。
[0056]由于微小材料的力学性能各不相同,对于某些力学性能不高的微小材料,如果第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022同时对微小材料施加拉力,就可能无法获得力学性能的准确形变信息。为此,可以采用一个驱动子单元(第一驱动子单元1021或第二驱动子单元1022)和一个不随温度发生形变的单元对这类微小材料进行实验。
[0057]因此,所述驱动单元102还可以包括固定单元1023,所述固定单元1023的第一端固定在所述支撑单元103的内侧;所述固定单元1023的第二端在所述支撑单元103的内侧悬空。这样就构成了第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022、第一驱动子单元1021和固定单元1023、固定单元1023和第二驱动子单元1022三种测量微小材料的拉力组合。
[0058]为了便于对材料承载单元101施加均匀的拉力,每种拉力组合之间平行设置,并保持设定的距离,设定的距离用于便于对微小材料的测量或观察。具体的,第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022间隔第一设定距离平行设置;或所述第一驱动子单元1021和固定单元1023间隔第二设定距离平行设置;或所述第二驱动子单元1022和固定单元1023间隔第三设定距离平行设置。第一设定距离、第二设定距离和第三设定距离可以取相同的数值,也可以各不相同,视具体的微小材料和场景而定。
[0059]步骤S2022:将所述材料承载单元101设置在所述拉力组合之间;
[0060]本实施例的所述材料承载单元101包括承载膜1011 ;当拉力组合为第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第一驱动子单元1021的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述第二驱动子单元1022的第二端;相应的,当拉力组合为第一驱动子单元1021和固定单元1023时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第一驱动子单元1021的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述固定单元1023的第二端;当拉力组合为第二驱动子单元1022和固定单元1023时,所述承载膜1011的第一侧可以固定在所述第二驱动子单元1022的第二端;所述承载膜1011的第二侧可以固定在所述固定单元1023的第二端。
[0061]步骤S2023:所述拉力组合利用温度对所述材料承载单元施加拉力。
[0062]所述第一驱动子单元1021的第一热双金属片利用温度产生远离所述第二驱动子单元1022或固定单元1023的第一拉力;
[0063]本实施例的驱动单元是利用温度对材料承载单元101施加拉力的,因此,驱动单元102包含的第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022都选用热敏材料。为了对材料承载单元101施加的拉力做到具有方向性,并尽量实现量化。本实施例的第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022可采用热双金属片,热双金属片能够对拉力的方向进行控制,并且,热双金属片的材料、尺寸等参数也可以设定,容易实现量化。具体的,本实施例的所述第一驱动子单元1021包括第一热双金属片;所述第一热双金属片包括第一金属片和第二金属片,所述第一金属片和第二金属片接触;所述第一金属片和第二金属片的线膨胀系数不同,这样就能使第一驱动子单元1021具有方向性;所述第一金属片和第二金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第二驱动子单元1022或固定单元1023的第一拉力。
[0064]所述第二驱动子单元1022的第二热双金属片利用温度产生远离所述第一驱动子单元1021或固定单元1023的第二拉力。
[0065]所述第二驱动子单元1022包括第二热双金属片;所述第二热双金属片包括第三金属片和第四金属片,所述第三金属片和第四金属片接触;所述第三金属片和第四金属片的线膨胀系数不同,这样就能使第二驱动子单元1022具有方向性;所述第三金属片和第四金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第一驱动子单元1021或固定单元1023的第二拉力。
[0066]如此,就实现了对微小材料拉伸操作。
[0067]实施例3
[0068]本实施例提供了一种力学性能检测系统,本实施例的力学性能检测系统包括实施例I所述的微小材料拉伸装置,还包括其他用于通过微小材料拉伸装置对微小材料进行拉伸实验的设备,如透射电镜等。
[0069]实施例4
[0070]以下通过一个实际的场景对本发明进行详细说明。
[0071]本实施例以将微小材料拉伸装置应用在透射电镜上为例,本实施例提供的微小材料拉伸装置可解决透射电镜无法有效实现对尺度极微小样品(微小材料)的原位变形操作的问题,实现在透射电镜中对长度分布范围从几十纳米至几微米之间的一维纳米材料(纳米线、纳米棒、纳米管等)的原位拉伸形变实验;或者长度在上述范围,厚度在几十埃米至几十纳米之间的单原子层二维纳米薄膜材料的原位拉伸形变实验,进而从原子尺度研究力学性能。从原子尺度揭示材料变形过程中显微组织结构变化信息与力学行为的响应机制,弥补对现行原位实验方法的不足。
[0072]本实施例提供的微小材料拉伸装置包括材料承载单元101、驱动单元102、支撑单元103三部分。为了配合透射电镜的需要,本实施例的支撑单元103选用导热系数良好的商用铜环;为了保证透射电镜中电子束顺利通过,本实施例的铜环尺寸为外径为3毫米,内径为2毫米。铜环的尺寸也可以根据实验需要自行设计,铜环的形状也可以为圆形、椭圆形、
方形等。
[0073]驱动单元102包括第一驱动子单元1021和/或第二驱动子单元1022,还可以包括固定单元1023。其中,第一驱动子单元1021和第二驱动子单元1022都采用热双金属片。具体的,本实施例的所述第一驱动子单元1021包括第一热双金属片;所述第二驱动子单元1022包括第二热双金属片。本实施的第一热双金属片和第二热双金属片选用铜-钛(Cu-Ti)热双金属片,Cu-Ti热双金属片中的Cu金属片和Ti金属片在第一热双金属片和第二热双金属片中的名称可根据需要自行定义。为了满足透射电镜的试验需要,第一热双金属片和第二热双金属片的距离为10-200微米之间,这样就能保证电子束的顺利通过。
[0074]通过温度控制形变分为升温形变和降温形变两种,以第一热双金属片和第二热双金属片组成的拉力组合为例,当通过升温实现变形时,将第一热双金属片和第二热双金属片包含的第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片中热膨胀系数较大的Cu金属片设置在第一热双金属片和第二热双金属片面向彼此的方向(即第一热双金属片和第二热双金属片组成的空间的内侧);热膨胀系数较小的Ti金属片设置在第一热双金属片和第二热双金属片背向彼此的方向(即第一热双金属片和第二热双金属片组成的空间的外侧)。形变时,处于内侧的Cu金属片的形变大于外侧的Ti金属片的形变,第一热双金属片和第二热双金属片同时向第一热双金属片和第二热双金属片组成的空间的外侧位移,使得第一热双金属片和第二热双金属片同时对材料承载单元101产生拉力。当通过降温实现变形时,将Cu金属片设置在外侧,将Ti金属片设置在内侧。变形时,处于外侧的Cu金属片的形变大于内侧的Ti金属片的形变,使得第一热双金属片和第二热双金属片同时对材料承载单元101产生拉力。
[0075]当拉力组合中有一个是固定单元1023 (拉力组合中不能出现两个固定单元1023)时,对Cu-Ti热双金属片的设置方式相同。
[0076]本实施例的材料承载单元101的承载膜1011选用商业生产的弹支持膜,也可以是半导体工艺界制备的高分子碳膜或者纯碳膜,厚度在几纳米到20纳米之间。为了对微小材料的拉伸试验进行说明,本实施例的承载膜1011上设置有规则的矩形孔,长度和宽度可设置为几纳米-几微米之间。针对不同的微小材料和实验设备,承载膜1011的孔的形状和尺寸可以自行设定。
[0077]总体来说,微小材料可分为一维微小纳米材料和二维微小纳米薄膜两大类。当为一维微小纳米材料(如纳米线)时,实验前对微小纳米线和承载膜1011的操作如图5所示,具体为:首先选择适合该微小纳米线的承载膜1011,承载膜1011上的孔要能够实现对微小纳米线的拉伸操作,如图5 (a)所示;然后将微小纳米线放置在材料承载单元101上,如图5(b)所示。因为微小纳米线在放置到承载膜1011上是随机的,所以还要从众多的微小纳米线中选出适合的做拉伸实验。选出适合做实验的微小纳米线作为样品,通过聚焦离子束等方法将样品固定在承载膜1011上,并将承载膜1011上对应样本轴线的部分切断,如图5 (c)所示。此时就可以将微小材料拉伸装置整体放入透射电镜上对样本的力学性能进行测试了。当为微小纳米薄膜时,实验前对微小纳米薄膜和承载膜1011的操作如图6所示。对微小纳米薄膜固定的方法和对微小纳米线固定的方法类似。
[0078]实验时,将微小材料拉伸装置置于透射电镜用的商用双轴倾转加热样品杆中(如果不需要倾转带轴,也可将微小材料拉伸装置置于透射电镜用商用单轴倾加热样品杆中),放入透射电镜中,找到所选的固定好的微小材料,并通过样品杆的双轴倾转系统将其倾转到地址数正带轴下。通过外部控温设备提高温度,所述的驱动单元102中的两片热双金属片,就会发生相对弯曲变形,带动置于其上的材料承载单元101运动,固定在材料承载单元101的承载膜1011的孔上的微小材料就会发生近似单轴拉伸变形,利用透射电镜的成像系统可以实时的记录其原子尺度的形变,揭示微小材料的力学性能。
[0079]本发明有如下优点:
[0080]1、本发明针对尺寸极微小的微小材料(如尺寸小于2微米的纳米线、纳米棒、纳米管等以及厚度为几埃米或几纳米的纳米薄膜等样品)实现在透射电镜中原位原子尺度单轴拉伸操作,具有性能可靠、安装方便、结构简单、价格低廉的特点,极大地拓展了透射电镜的功能。
[0081]2、本发明的微小材料拉伸装置的外形尺寸可根据现有技术载网的尺寸制作,可以方便的装入高分辨透射电镜中,实现X、Y两个方向大角度倾转,可以在进行原位压痕变形操作的同时,从最佳的晶带轴实现高分辨成像,获得微小材料的原子尺度的结构信息。
[0082]3、本发明可以很好的实现纳米薄膜的拉伸变形操作,解决了对此类二维纳米片层材料力学性能研究上研究手段匮乏的问题,极大的丰富了纳米材料力学的实验手段。
[0083]在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的设备和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0084]上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0085]另外,在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中,也可以是各单元分别单独作为一个单元,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中;上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0086]本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0087]以上所述,仅为本发明的【具体实施方式】,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种微小材料拉伸装置,其特征在于,所述装置包括: 材料承载单元,用于承载并固定微小材料; 驱动单元,用于固定所述材料承载单元,并利用温度对所述材料承载单元施加拉力; 支撑单元,用于固定所述驱动单元; 所述材料承载单元设置在所述驱动单元上;所述驱动单元设置在所述支撑单元上。2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述材料承载单元包括承载膜,所述承载膜上具有设定形状和设定尺寸的孔。3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于,所述驱动单元包括第一驱动子单元和/或第二驱动子单元;所述第一驱动子单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述第一驱动子单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空;所述第二驱动子单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述第二驱动子单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空。4.根据权利要求3所述的系统,其特征在于,所述驱动单元还包括固定单元,所述固定单元的第一端固定在所述支撑单元的内侧;所述固定单元的第二端在所述支撑单元的内侧悬空。5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述第一驱动子单元包括第一热双金属片;所述第一热双金属片包括第一金属片和第二金属片,所述第一金属片和第二金属片接触;所述第一金属片和第二金属片的线膨胀系数不同;所述第一金属片和第二金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第二驱动子单元或固定单元的第一拉力。6.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述第二驱动子单元包括第二热双金属片;所述第二热双金属片包括第三金属片和第四金属片,所述第三金属片和第四金属片接触;所述第三金属片和第四金属片的线膨胀系数不同;所述第三金属片和第四金属片利用温度产生形变,通过所述形变产生远离所述第一驱动子单元或固定单元的第二拉力。7.一种微小材料拉伸方法,其特征在于,所述方法包括: 将微小材料固定在材料承载单元上; 驱动单元利用温度对所述材料承载单元施加拉力,进而使得所述材料承载单元对微小材料进行拉伸。8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述驱动单元利用温度对所述材料承载单元施加拉力包括: 从所述驱动单元的第一驱动子单元、第二驱动子单元和固定单元中选择任意两个单元作为拉力组合; 将所述材料承载单元设置在所述拉力组合之间; 所述拉力组合利用温度对所述材料承载单元施加拉力。9.一种力学性能检测系统,其特征在于,所述系统包括权利要求1-6任一所述的微小材料拉伸装置。
【文档编号】G01N3/02GK106033039SQ201510102879
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月9日
【发明人】岳永海, 郭林
【申请人】北京航空航天大学
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