用于一维和二维纳米材料的微型单轴应变施加装置的制作方法

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本专利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：

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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。
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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。
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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。


技术实现要素：

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本专利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。
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本专利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：
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ε＝h/2r
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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，本专利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。
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为了实现上述目的，本专利设计了一种微型应变调控装置，其特征在于包括：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。其中，所述的“直角”形行程升降台固定支架共有两个，其底边通过螺丝固定在平板底座的两端；所述的两个行程升降台分别通过螺丝固定在行程升降台固定支架的侧边上；所述压片有两个，呈“l”型，其侧面上开有小孔，通过螺丝固定在行程升降台上；所述的两个衬底支撑组件由螺丝对称地固定在平板底座的中心位置的两侧。
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带有纳米材料样品的条形衬底安放在两个衬底支撑组件上，旋转行程升降台上的旋钮，行程升降台会带动压片下降，压住条形衬底，继续旋转旋钮，条形衬底发生弯曲。当纳米材料样品贴附在条形衬底上表面时，样品受到拉伸应变，当样品贴附在条形衬底下表面时，样品受到压缩应变。
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上述装置还具有以下特点：
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1)行程升降台上有数字刻度显示，量程达到25mm，精度为1mm；
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2)平台衬底支撑组件是由刀刃和刀刃底座构成，刀刃方向向上；
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该专利通过压片和衬底支撑组件实现了对样品的四点弯曲的应力施加，精确地圆弧几何边形，再搭配行程升降台上的数字刻度显示，最终可达到对样品实施均匀可控的应变调控。另外该装置还实现了单轴拉伸应变和单轴压缩应变的一体化操作，样品分别贴附在条形衬底上下表面的时候，会对样品施加不同类型的应力。
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本专利具有高度的微型化、集成化，整体位置三维可调，方便和显微光谱测试系统搭配使用。因此本专利可以为应变工程和微纳光学领域提供一个操作简单、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。
附图说明：
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图1为四点应变模式量化示意图。
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图2为本专利的应变施加装置的整体结构示意图。
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图3为条形弹性衬底及样品示意图。
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图4为样品在不同应力状态下测得的激射光谱图。
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图2中标记说明：
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1——行程升降台；
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2——压片；
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3——衬底支撑组件；
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4——行程升降台固定支架；
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5——平板底座。
具体实施方式：
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1.将结合附图2详细的描述本专利的具体实施方法，具体步骤依次为：
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1)先通过人工转移的方法或是机械剥离的方法，将微纳样品转移到条形弹性衬底上，如图3所示。接下来将转移好样品的条形弹性衬底以样品朝上的方式放置于衬底支撑组件3上，然后通过旋转行程升降台1上的旋钮来向下移动压片2，通过底部的两个衬底支撑组件3和上面的两个压片2固定好条形弹性衬底，此时条形弹性衬底处于无应变状态。然后将该装置开口朝上的放置在显微镜下。
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2)接下来，缓慢的旋转行程升降台1上的旋钮，控制压片2向下移动的距离，而在压片2缓慢向下移动的过程中，搭配两个衬底支撑组件3上的刀刃，在这四点的共同作用下，条形弹性衬底会发生均匀的弯曲形变。条形弹性衬底上制备有微纳样品的那一面会发生单轴拉伸应变，相应的会把拉伸应变传递给微纳样品，这样就实现了对微纳样品的单轴拉伸应变。而且我们还可以根据行程升降台1上的数字刻度知道压片2下降的距离，再通过相应的计算可得出施加的应力的大小。在完成拉伸应变下相应的各种表征、测量之后，缓慢的旋转行程升降台1的旋钮，压片2缓慢上升，条形弹性衬底也随之缓慢释放直至恢复平坦状态。
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3)重复上述样品转移的过程，得到样品制备后的条形弹性衬底，此时仍是将条形弹性衬底放置在衬底支撑组件3上，但此时样品是贴在条形衬底的反面。然后旋转行程升降台1的旋钮来缓慢向下移动压片2，直至固定好条形弹性衬底。值得注意的是，此时是将拉伸装置翻转过来，开口向下的放置在显微镜下。接下来，同样的在压片2和衬底支撑组件3的共同作用下，条形弹性衬底发生均匀的弯曲形变。而条形弹性衬底上制备有微纳样品的那一面会发生单轴压缩应变，相应的会把压缩应变传递给微纳样品，这样就实现了对微纳样品的单轴压缩应变。和单轴拉伸应变的操作一样，也可以通过行程升降台1上的数字刻度计算出压缩应力的大小。在在完成压缩应变下相应的各种表征、测量之后，缓慢旋转行程升降台1的旋钮直至条形弹性衬底恢复平坦。
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2.图4是样品在不同应力状态下测得的激射光谱图。可以清晰的看到，在无应变、拉伸应变和压缩应变不同状态下的激射行为。
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3.本专利提供的四点法应力均匀可控的施加装置，可用于对一维和二维纳米材料施加单轴拉伸应变和单轴压缩应变，并适用于搭配显微光谱测试系统对不同应变状态下的纳米材料的性质进行表征和探究，在整个应变工程和微纳光学领域都会有着广泛的应用前景。
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4.以上所述只是本专利优选的一个例子而已，并不因此限制本专利的使用范围，凡是利用本专利的说明书及附图内容所做的任何修改、替换、改进等，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本专利的保护范围内。