一種微小材料拉伸方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微小材料拉伸裝置，本發(fā)明的所述裝置包括：材料承載單元，用于承載并固定微小材料；驅(qū)動(dòng)單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力；支撐單元，用于固定所述驅(qū)動(dòng)單元；所述材料承載單元設(shè)置在所述驅(qū)動(dòng)單元上；所述驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置在所述支撐單元上。本發(fā)明還同時(shí)公開(kāi)了一種微小材料拉伸方法和一種力學(xué)性能檢測(cè)系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】
一種微小材料拉伸方法、裝置及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于納米材料性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微小材料拉伸方法、裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，由于半導(dǎo)體線寬的限制，人們將未來(lái)半導(dǎo)體業(yè)界的新一代技術(shù)革命的希望寄托在了尺寸在100納米以下的納米材料上，包括以一維納米線、納米管、納米棒；二維納米薄膜、納米環(huán)；三維納米(中空)球等各式材料。由于納米材料的尺寸極其微小，在以他們?yōu)榛締卧募{米器件中，這些微小的材料不可避免的會(huì)受到外界環(huán)境及各種外場(chǎng)的影響，包括力場(chǎng)、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)和電場(chǎng)等等。因此，針對(duì)此類微小個(gè)體的各種性能的測(cè)試就顯得尤為重要，因?yàn)檫@將決定器件的可靠性和穩(wěn)定性。在納米材料諸多優(yōu)異性能中，力學(xué)性能一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，隨著尺寸的減小，納米材料表現(xiàn)出了與其宏觀材料迥異的力學(xué)性能，針對(duì)材料微觀力學(xué)性能的研究也越來(lái)越多，但是由于技術(shù)上的限制，世界上只有幾個(gè)課題組在做相關(guān)的研究工作。
[0003]目前，針對(duì)納米材料力學(xué)性能的研究，人們已經(jīng)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了多種納米材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)。各大電子顯微鏡輔助器材生產(chǎn)廠家針對(duì)納米材料的力學(xué)性能的研究生產(chǎn)了若干種產(chǎn)品。例如美國(guó)Hysitron公司生產(chǎn)的P1-95型納米壓痕儀是針對(duì)透射電子顯微鏡而推出的一款納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)納米材料的壓縮和拉伸變形操作。單志偉教授領(lǐng)用該系統(tǒng)驗(yàn)證了鎳(Ni)單晶樣品變形過(guò)程中的位錯(cuò)饑餓機(jī)制，隨后在金屬?gòu)椝苄宰冃螜C(jī)制的研究上做了大量的工作。美國(guó)Nanofactory公司生產(chǎn)的TEM-STM樣品桿也可以實(shí)現(xiàn)在透射電鏡中壓痕試驗(yàn)，這些產(chǎn)品都對(duì)納米材料力學(xué)性能的研究起到推動(dòng)作用，Jianyu Huang領(lǐng)導(dǎo)的課題組利用該實(shí)驗(yàn)裝置在金納米線的變形機(jī)制上做了大量的研究工作。
[0004]然而，以上幾種系統(tǒng)的價(jià)格極其昂貴，并且無(wú)法方便的獲得原子尺度形變信息，因此，對(duì)于其自身的應(yīng)用推廣受到了很大的限制。此外，由于制備方法的限制，有些材料不能制備出大范圍的結(jié)構(gòu)均一的樣品，例如無(wú)缺陷一維納米材料，無(wú)缺陷二維納米薄膜等材料。當(dāng)此類材料的尺寸較小時(shí)，如長(zhǎng)度小于2微米的納米線、納米管、納米棒，長(zhǎng)度在上述范圍內(nèi)且厚度在幾納米甚至是幾十埃米或是單原子層的納米薄膜等等時(shí)，由于缺乏對(duì)此類材料進(jìn)行力學(xué)性能研究的方法，對(duì)于其力學(xué)行為的理解較少，大大限制了此類材料的制備及應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例期望提供一種微小材料拉伸方法、裝置及系統(tǒng)，至少能解決現(xiàn)有納米材料力學(xué)性能測(cè)試方法無(wú)法獲得納米材料原子尺度的形變信息等技術(shù)問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種微小材料拉伸裝置，所述裝置包括:
[0008]材料承載單元，用于承載并固定微小材料；
[0009]驅(qū)動(dòng)單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力；
[0010]支撐單元，用于固定所述驅(qū)動(dòng)單元；
[0011]所述材料承載單元設(shè)置在所述驅(qū)動(dòng)單元上；所述驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置在所述支撐單元上。
[0012]上述方案中，所述材料承載單元包括承載膜，所述承載膜上具有設(shè)定形狀和設(shè)定尺寸的孔。
[0013]上述方案中，所述驅(qū)動(dòng)單元包括第一驅(qū)動(dòng)子單元和/或第二驅(qū)動(dòng)子單元；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空。
[0014]上述方案中，所述驅(qū)動(dòng)單元還包括固定單元，所述固定單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述固定單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空。
[0015]上述方案中，所述第一驅(qū)動(dòng)子單元包括第一熱雙金屬片；所述第一熱雙金屬片包括第一金屬片和第二金屬片，所述第一金屬片和第二金屬片接觸；所述第一金屬片和第二金屬片的線膨脹系數(shù)不同；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第二驅(qū)動(dòng)子單元或固定單元的第一拉力。
[0016]上述方案中，所述第二驅(qū)動(dòng)子單元包括第二熱雙金屬片；所述第二熱雙金屬片包括第三金屬片和第四金屬片，所述第三金屬片和第四金屬片接觸；所述第三金屬片和第四金屬片的線膨脹系數(shù)不同；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第一驅(qū)動(dòng)子單元或固定單元的第二拉力。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種微小材料拉伸方法，所述方法包括:
[0018]將微小材料固定在材料承載單元上；
[0019]驅(qū)動(dòng)單元利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力，進(jìn)而使得所述材料承載單元對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸。
[0020]上述方案中，所述驅(qū)動(dòng)單元利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力包括:
[0021]從所述驅(qū)動(dòng)單元的第一驅(qū)動(dòng)子單元、第二驅(qū)動(dòng)子單元和固定單元中選擇任意兩個(gè)單元作為拉力組合；
[0022]將所述材料承載單元設(shè)置在所述拉力組合之間；
[0023]所述拉力組合利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力。
[0024]本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種力學(xué)性能檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括上述任一所述的微小材料拉伸裝置。
[0025]本實(shí)施例的微小材料拉伸裝置通過(guò)材料承載單元對(duì)微小材料進(jìn)行承載并固定；驅(qū)動(dòng)單元利用溫度產(chǎn)生精確形變，對(duì)材料承載單元施加拉力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小材料的原子尺度的拉伸形變。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為實(shí)施例1的微小材料拉伸裝置的組成結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2為實(shí)施例1的驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為實(shí)施例2的微小材料拉伸方法的流程圖；
[0029]圖4為實(shí)施例2的驅(qū)動(dòng)單元102利用溫度對(duì)所述材料承載單元101施加拉力的流程圖；
[0030]圖5為實(shí)施例4的對(duì)微小納米線和承載膜1011的操作示意圖；
[0031]圖6為實(shí)施例4的對(duì)微小納米薄膜和承載膜1011的操作示意圖。
[0032]為了能明確實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在圖中標(biāo)注了特定的尺寸、結(jié)構(gòu)和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發(fā)明限定在該特定尺寸、結(jié)構(gòu)、器件和環(huán)境中，根據(jù)具體需要，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以將這些器件和環(huán)境進(jìn)行調(diào)整或者修改，所進(jìn)行的調(diào)整或者修改仍然包括在后附的權(quán)利要求的范圍中。
【具體實(shí)施方式】
[0033]在以下的描述中，將描述本發(fā)明的多個(gè)不同的方面，然而，對(duì)于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，可以僅僅利用本發(fā)明的一些或者全部結(jié)構(gòu)或者流程來(lái)實(shí)施本發(fā)明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數(shù)目、配置和順序，但是很明顯，在沒(méi)有這些特定細(xì)節(jié)的情況下也可以實(shí)施本發(fā)明。在其他情況下，為了不混淆本發(fā)明，對(duì)于一些眾所周知的特征將不再進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0034]實(shí)施例1
[0035]為了解決現(xiàn)有納米材料力學(xué)性能測(cè)試方法無(wú)法獲得納米材料原子尺度的形變信息等技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)施例提供了一種微小材料拉伸裝置，如圖1所示，本裝置包括:
[0036]材料承載單元101，用于承載并固定微小材料；本實(shí)施例所述的微小材料是指長(zhǎng)度和寬度分別在幾十納米到幾微米范圍，厚度在幾十埃到十幾納米范圍的材料。材料承載單元101用于承載微小材料，由于材料承載單元101在微小材料的拉伸過(guò)程中要受力進(jìn)而對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸，所以還需要對(duì)微小材料進(jìn)行固定，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微小材料的拉伸操作。
[0037]驅(qū)動(dòng)單元102，用于固定所述材料承載單元101，并利用溫度對(duì)所述材料承載單元101施加拉力；材料承載單元101固定在驅(qū)動(dòng)單元102上，驅(qū)動(dòng)單元102屬于熱敏部件，能夠根據(jù)溫度的變化產(chǎn)生不同形變，進(jìn)而對(duì)材料承載單元101施加不同的拉力。由于驅(qū)動(dòng)單元是利用溫度產(chǎn)生形變的，而溫度的值很容易控制，因此，通過(guò)控制溫度就能夠控制驅(qū)動(dòng)單元的精確形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量微小材料的原子尺度的力學(xué)性能測(cè)試。
[0038]支撐單元103，用于固定所述驅(qū)動(dòng)單元102 ;所述材料承載單元101設(shè)置在所述驅(qū)動(dòng)單元102上；所述驅(qū)動(dòng)單元102設(shè)置在所述支撐單元103上，因此，支撐單元103就實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料承載單元101和驅(qū)動(dòng)單元102的固定。
[0039]本實(shí)施例的微小材料拉伸裝置通過(guò)材料承載單元101對(duì)微小材料進(jìn)行承載并固定；驅(qū)動(dòng)單元102利用溫度產(chǎn)生精確形變，對(duì)材料承載單元101施加拉力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小材料的原子尺度的拉伸形變。
[0040]具體的，所述驅(qū)動(dòng)單元102包括第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和/或第二驅(qū)動(dòng)子單元1022 ;所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空。
[0041]由于微小材料的力學(xué)性能各不相同，對(duì)于某些力學(xué)性能不高的微小材料，如果第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022同時(shí)對(duì)微小材料施加拉力，就可能無(wú)法獲得力學(xué)性能的準(zhǔn)確形變信息。為此，可以采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)子單元(第一驅(qū)動(dòng)子單元1021或第二驅(qū)動(dòng)子單元1022)和一個(gè)不隨溫度發(fā)生形變的單元對(duì)這類微小材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0042]因此，所述驅(qū)動(dòng)單元102還可以包括固定單元1023，所述固定單元1023的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述固定單元1023的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空。這樣就構(gòu)成了第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022(圖2(a))、第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023 (圖2 (b))、固定單元1023和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022 (圖2 (c))三種測(cè)量微小材料的拉力組合，如圖2所示。
[0043]為了便于對(duì)材料承載單元101施加均勻的拉力，每種拉力組合之間平行設(shè)置，并保持設(shè)定的距離，設(shè)定的距離用于便于根據(jù)被測(cè)量的微小材料的尺寸等條件對(duì)微小材料進(jìn)行測(cè)量或觀察。具體的，第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022間隔第一設(shè)定距離平行設(shè)置；或所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023間隔第二設(shè)定距離平行設(shè)置；或所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022和固定單元1023間隔第三設(shè)定距離平行設(shè)置。第一設(shè)定距離、第二設(shè)定距離和第三設(shè)定距離可以取相同的數(shù)值，也可以各不相同，視具體的微小材料和場(chǎng)景而定。
[0044]本實(shí)施例的所述材料承載單元101包括承載膜1011 ;當(dāng)拉力組合為第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端；相應(yīng)的，當(dāng)拉力組合為第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述固定單元1023的第二端；當(dāng)拉力組合為第二驅(qū)動(dòng)子單元1022和固定單元1023時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述固定單元1023的第二端。
[0045]為了進(jìn)一步對(duì)微小材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同材質(zhì)的微小材料，對(duì)應(yīng)地對(duì)承載膜1011也要進(jìn)行處理。當(dāng)被測(cè)量的微小材料的尺寸和承載膜1011的尺寸屬于同一數(shù)量級(jí)的時(shí)候，可以直接在承載膜1011上對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。當(dāng)被測(cè)量的微小材料的尺寸比承載膜1011的尺寸小很多的情況下，則需要對(duì)承載膜1011進(jìn)行處理，以滿足微小材料的尺寸要求。為此，本實(shí)施例的承載膜1011可以設(shè)置多種孔，孔的形狀和尺寸可根據(jù)被測(cè)量的微小材料的尺寸而定。
[0046]本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)單元102是利用溫度對(duì)材料承載單元101施加拉力的，因此，驅(qū)動(dòng)單元102包含的第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022都選用熱敏材料。為了對(duì)材料承載單元101施加的拉力做到具有方向性，并盡量實(shí)現(xiàn)量化。本實(shí)施例的第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022可采用熱雙金屬片，熱雙金屬片能夠?qū)Φ姆较蜻M(jìn)行控制，并且，熱雙金屬片的材料、尺寸等參數(shù)也可以設(shè)定，通過(guò)對(duì)溫度的控制，容易實(shí)現(xiàn)形變的量化控制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)微小材料原子尺度的力學(xué)性能測(cè)試。具體的，本實(shí)施例的所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021包括第一熱雙金屬片；所述第一熱雙金屬片包括第一金屬片和第二金屬片，所述第一金屬片和第二金屬片接觸；所述第一金屬片和第二金屬片的線膨脹系數(shù)不同，這樣就能使第一驅(qū)動(dòng)子單元1021具有方向性；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022或固定單元1023的第一拉力。對(duì)應(yīng)的，所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022包括第二熱雙金屬片；所述第二熱雙金屬片包括第三金屬片和第四金屬片，所述第三金屬片和第四金屬片接觸；所述第三金屬片和第四金屬片的線膨脹系數(shù)不同，這樣就能使第二驅(qū)動(dòng)子單元1022具有方向性；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0047]實(shí)施例2
[0048]本實(shí)施例和實(shí)施例1屬于同一發(fā)明構(gòu)思。本實(shí)施例提供了一種微小材料拉伸方法，如圖3所示，所述方法包括:
[0049]步驟S201:將微小材料固定在材料承載單元101上；
[0050]材料承載單元101用于承載并固定微小材料；材料承載單元101用于承載微小材料，由于材料承載單元101在微小材料的拉伸過(guò)程中要受力進(jìn)而對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸，所以還需要對(duì)微小材料進(jìn)行固定，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微小材料的拉伸操作。所述材料承載單元101包括承載膜1011，當(dāng)被測(cè)量的微小材料的尺寸和承載膜1011的尺寸屬于同一數(shù)量級(jí)的時(shí)候，可以直接在承載膜1011上對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。當(dāng)被測(cè)量的微小材料的尺寸比承載膜1011的尺寸小很多的情況下，則需要對(duì)承載膜1011進(jìn)行處理，以滿足微小材料的尺寸要求。為此，本實(shí)施例的承載膜1011可以設(shè)置多種孔，孔的形狀和尺寸可根據(jù)被測(cè)量的微小材料的尺寸而定。
[0051]步驟S202:驅(qū)動(dòng)單元102利用溫度對(duì)所述材料承載單元101施加拉力，進(jìn)而使得所述材料承載單元101對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸。
[0052]將微小材料固定在材料承載單元101上后，通過(guò)調(diào)整溫度，使得所述驅(qū)動(dòng)單元102對(duì)所述材料承載單元101施加拉力，固定在所述材料承載單元101上的微小材料也相應(yīng)受到所述驅(qū)動(dòng)單元102的拉力，實(shí)現(xiàn)了拉伸。
[0053]具體的，如圖4所示，步驟S202中所述驅(qū)動(dòng)單元102利用溫度對(duì)所述材料承載單元101施加拉力包括:
[0054]步驟S2021:從所述驅(qū)動(dòng)單元102的第一驅(qū)動(dòng)子單元1021、第二驅(qū)動(dòng)子單元1022和固定單元1023中選擇任意兩個(gè)單元作為拉力組合，拉力組合包含的兩個(gè)子單元平行設(shè)置；
[0055]本實(shí)施例的所述驅(qū)動(dòng)單元102包括第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和/或第二驅(qū)動(dòng)子單元1022 ;所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空。
[0056]由于微小材料的力學(xué)性能各不相同，對(duì)于某些力學(xué)性能不高的微小材料，如果第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022同時(shí)對(duì)微小材料施加拉力，就可能無(wú)法獲得力學(xué)性能的準(zhǔn)確形變信息。為此，可以采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)子單元(第一驅(qū)動(dòng)子單元1021或第二驅(qū)動(dòng)子單元1022)和一個(gè)不隨溫度發(fā)生形變的單元對(duì)這類微小材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
[0057]因此，所述驅(qū)動(dòng)單元102還可以包括固定單元1023，所述固定單元1023的第一端固定在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)；所述固定單元1023的第二端在所述支撐單元103的內(nèi)側(cè)懸空。這樣就構(gòu)成了第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022、第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023、固定單元1023和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022三種測(cè)量微小材料的拉力組合。
[0058]為了便于對(duì)材料承載單元101施加均勻的拉力，每種拉力組合之間平行設(shè)置，并保持設(shè)定的距離，設(shè)定的距離用于便于對(duì)微小材料的測(cè)量或觀察。具體的，第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022間隔第一設(shè)定距離平行設(shè)置；或所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023間隔第二設(shè)定距離平行設(shè)置；或所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022和固定單元1023間隔第三設(shè)定距離平行設(shè)置。第一設(shè)定距離、第二設(shè)定距離和第三設(shè)定距離可以取相同的數(shù)值，也可以各不相同，視具體的微小材料和場(chǎng)景而定。
[0059]步驟S2022:將所述材料承載單元101設(shè)置在所述拉力組合之間；
[0060]本實(shí)施例的所述材料承載單元101包括承載膜1011 ;當(dāng)拉力組合為第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端；相應(yīng)的，當(dāng)拉力組合為第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和固定單元1023時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述固定單元1023的第二端；當(dāng)拉力組合為第二驅(qū)動(dòng)子單元1022和固定單元1023時(shí)，所述承載膜1011的第一側(cè)可以固定在所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二端；所述承載膜1011的第二側(cè)可以固定在所述固定單元1023的第二端。
[0061]步驟S2023:所述拉力組合利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力。
[0062]所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021的第一熱雙金屬片利用溫度產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022或固定單元1023的第一拉力；
[0063]本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)單元是利用溫度對(duì)材料承載單元101施加拉力的，因此，驅(qū)動(dòng)單元102包含的第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022都選用熱敏材料。為了對(duì)材料承載單元101施加的拉力做到具有方向性，并盡量實(shí)現(xiàn)量化。本實(shí)施例的第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022可采用熱雙金屬片，熱雙金屬片能夠?qū)Φ姆较蜻M(jìn)行控制，并且，熱雙金屬片的材料、尺寸等參數(shù)也可以設(shè)定，容易實(shí)現(xiàn)量化。具體的，本實(shí)施例的所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021包括第一熱雙金屬片；所述第一熱雙金屬片包括第一金屬片和第二金屬片，所述第一金屬片和第二金屬片接觸；所述第一金屬片和第二金屬片的線膨脹系數(shù)不同，這樣就能使第一驅(qū)動(dòng)子單元1021具有方向性；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022或固定單元1023的第一拉力。
[0064]所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022的第二熱雙金屬片利用溫度產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0065]所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022包括第二熱雙金屬片；所述第二熱雙金屬片包括第三金屬片和第四金屬片，所述第三金屬片和第四金屬片接觸；所述第三金屬片和第四金屬片的線膨脹系數(shù)不同，這樣就能使第二驅(qū)動(dòng)子單元1022具有方向性；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0066]如此，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小材料拉伸操作。
[0067]實(shí)施例3
[0068]本實(shí)施例提供了一種力學(xué)性能檢測(cè)系統(tǒng)，本實(shí)施例的力學(xué)性能檢測(cè)系統(tǒng)包括實(shí)施例I所述的微小材料拉伸裝置，還包括其他用于通過(guò)微小材料拉伸裝置對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，如透射電鏡等。
[0069]實(shí)施例4
[0070]以下通過(guò)一個(gè)實(shí)際的場(chǎng)景對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0071]本實(shí)施例以將微小材料拉伸裝置應(yīng)用在透射電鏡上為例，本實(shí)施例提供的微小材料拉伸裝置可解決透射電鏡無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)尺度極微小樣品(微小材料)的原位變形操作的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)在透射電鏡中對(duì)長(zhǎng)度分布范圍從幾十納米至幾微米之間的一維納米材料(納米線、納米棒、納米管等)的原位拉伸形變實(shí)驗(yàn)；或者長(zhǎng)度在上述范圍，厚度在幾十埃米至幾十納米之間的單原子層二維納米薄膜材料的原位拉伸形變實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而從原子尺度研究力學(xué)性能。從原子尺度揭示材料變形過(guò)程中顯微組織結(jié)構(gòu)變化信息與力學(xué)行為的響應(yīng)機(jī)制，彌補(bǔ)對(duì)現(xiàn)行原位實(shí)驗(yàn)方法的不足。
[0072]本實(shí)施例提供的微小材料拉伸裝置包括材料承載單元101、驅(qū)動(dòng)單元102、支撐單元103三部分。為了配合透射電鏡的需要，本實(shí)施例的支撐單元103選用導(dǎo)熱系數(shù)良好的商用銅環(huán)；為了保證透射電鏡中電子束順利通過(guò)，本實(shí)施例的銅環(huán)尺寸為外徑為3毫米，內(nèi)徑為2毫米。銅環(huán)的尺寸也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自行設(shè)計(jì)，銅環(huán)的形狀也可以為圓形、橢圓形、
方形等。
[0073]驅(qū)動(dòng)單元102包括第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和/或第二驅(qū)動(dòng)子單元1022，還可以包括固定單元1023。其中，第一驅(qū)動(dòng)子單元1021和第二驅(qū)動(dòng)子單元1022都采用熱雙金屬片。具體的，本實(shí)施例的所述第一驅(qū)動(dòng)子單元1021包括第一熱雙金屬片；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元1022包括第二熱雙金屬片。本實(shí)施的第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片選用銅-鈦(Cu-Ti)熱雙金屬片，Cu-Ti熱雙金屬片中的Cu金屬片和Ti金屬片在第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片中的名稱可根據(jù)需要自行定義。為了滿足透射電鏡的試驗(yàn)需要，第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片的距離為10-200微米之間，這樣就能保證電子束的順利通過(guò)。
[0074]通過(guò)溫度控制形變分為升溫形變和降溫形變兩種，以第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片組成的拉力組合為例，當(dāng)通過(guò)升溫實(shí)現(xiàn)變形時(shí)，將第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片包含的第一金屬片、第二金屬片、第三金屬片和第四金屬片中熱膨脹系數(shù)較大的Cu金屬片設(shè)置在第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片面向彼此的方向(即第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片組成的空間的內(nèi)側(cè))；熱膨脹系數(shù)較小的Ti金屬片設(shè)置在第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片背向彼此的方向(即第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片組成的空間的外側(cè))。形變時(shí)，處于內(nèi)側(cè)的Cu金屬片的形變大于外側(cè)的Ti金屬片的形變，第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片同時(shí)向第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片組成的空間的外側(cè)位移，使得第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片同時(shí)對(duì)材料承載單元101產(chǎn)生拉力。當(dāng)通過(guò)降溫實(shí)現(xiàn)變形時(shí)，將Cu金屬片設(shè)置在外側(cè)，將Ti金屬片設(shè)置在內(nèi)側(cè)。變形時(shí)，處于外側(cè)的Cu金屬片的形變大于內(nèi)側(cè)的Ti金屬片的形變，使得第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片同時(shí)對(duì)材料承載單元101產(chǎn)生拉力。
[0075]當(dāng)拉力組合中有一個(gè)是固定單元1023 (拉力組合中不能出現(xiàn)兩個(gè)固定單元1023)時(shí)，對(duì)Cu-Ti熱雙金屬片的設(shè)置方式相同。
[0076]本實(shí)施例的材料承載單元101的承載膜1011選用商業(yè)生產(chǎn)的彈支持膜，也可以是半導(dǎo)體工藝界制備的高分子碳膜或者純碳膜，厚度在幾納米到20納米之間。為了對(duì)微小材料的拉伸試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明，本實(shí)施例的承載膜1011上設(shè)置有規(guī)則的矩形孔，長(zhǎng)度和寬度可設(shè)置為幾納米-幾微米之間。針對(duì)不同的微小材料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，承載膜1011的孔的形狀和尺寸可以自行設(shè)定。
[0077]總體來(lái)說(shuō)，微小材料可分為一維微小納米材料和二維微小納米薄膜兩大類。當(dāng)為一維微小納米材料(如納米線)時(shí)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)微小納米線和承載膜1011的操作如圖5所示，具體為:首先選擇適合該微小納米線的承載膜1011，承載膜1011上的孔要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微小納米線的拉伸操作，如圖5 (a)所示；然后將微小納米線放置在材料承載單元101上，如圖5(b)所示。因?yàn)槲⑿〖{米線在放置到承載膜1011上是隨機(jī)的，所以還要從眾多的微小納米線中選出適合的做拉伸實(shí)驗(yàn)。選出適合做實(shí)驗(yàn)的微小納米線作為樣品，通過(guò)聚焦離子束等方法將樣品固定在承載膜1011上，并將承載膜1011上對(duì)應(yīng)樣本軸線的部分切斷，如圖5 (c)所示。此時(shí)就可以將微小材料拉伸裝置整體放入透射電鏡上對(duì)樣本的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試了。當(dāng)為微小納米薄膜時(shí)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)微小納米薄膜和承載膜1011的操作如圖6所示。對(duì)微小納米薄膜固定的方法和對(duì)微小納米線固定的方法類似。
[0078]實(shí)驗(yàn)時(shí)，將微小材料拉伸裝置置于透射電鏡用的商用雙軸傾轉(zhuǎn)加熱樣品桿中(如果不需要傾轉(zhuǎn)帶軸，也可將微小材料拉伸裝置置于透射電鏡用商用單軸傾加熱樣品桿中)，放入透射電鏡中，找到所選的固定好的微小材料，并通過(guò)樣品桿的雙軸傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)將其傾轉(zhuǎn)到地址數(shù)正帶軸下。通過(guò)外部控溫設(shè)備提高溫度，所述的驅(qū)動(dòng)單元102中的兩片熱雙金屬片，就會(huì)發(fā)生相對(duì)彎曲變形，帶動(dòng)置于其上的材料承載單元101運(yùn)動(dòng)，固定在材料承載單元101的承載膜1011的孔上的微小材料就會(huì)發(fā)生近似單軸拉伸變形，利用透射電鏡的成像系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的記錄其原子尺度的形變，揭示微小材料的力學(xué)性能。
[0079]本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn):
[0080]1、本發(fā)明針對(duì)尺寸極微小的微小材料(如尺寸小于2微米的納米線、納米棒、納米管等以及厚度為幾埃米或幾納米的納米薄膜等樣品)實(shí)現(xiàn)在透射電鏡中原位原子尺度單軸拉伸操作，具有性能可靠、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，極大地拓展了透射電鏡的功能。
[0081]2、本發(fā)明的微小材料拉伸裝置的外形尺寸可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)載網(wǎng)的尺寸制作，可以方便的裝入高分辨透射電鏡中，實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)方向大角度傾轉(zhuǎn)，可以在進(jìn)行原位壓痕變形操作的同時(shí)，從最佳的晶帶軸實(shí)現(xiàn)高分辨成像，獲得微小材料的原子尺度的結(jié)構(gòu)信息。
[0082]3、本發(fā)明可以很好的實(shí)現(xiàn)納米薄膜的拉伸變形操作，解決了對(duì)此類二維納米片層材料力學(xué)性能研究上研究手段匱乏的問(wèn)題，極大的豐富了納米材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)手段。
[0083]在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的設(shè)備和方法，可以通過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。以上所描述的設(shè)備實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，如:多個(gè)單元或組件可以結(jié)合，或可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另外，所顯示或討論的各組成部分相互之間的耦合、或直接耦合、或通信連接可以是通過(guò)一些接口，設(shè)備或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性的、機(jī)械的或其它形式的。
[0084]上述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是、或也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯示的部件可以是、或也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上；可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或全部單元來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。
[0085]另外，在本發(fā)明各實(shí)施例中的各功能單元可以全部集成在一個(gè)處理模塊中，也可以是各單元分別單獨(dú)作為一個(gè)單元，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中；上述集成的單元既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用硬件加軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。
[0086]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過(guò)程序指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，前述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括:移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備、只讀存儲(chǔ)器(Read-Only Memory，ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盤(pán)等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。
[0087]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微小材料拉伸裝置，其特征在于，所述裝置包括: 材料承載單元，用于承載并固定微小材料； 驅(qū)動(dòng)單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力； 支撐單元，用于固定所述驅(qū)動(dòng)單元； 所述材料承載單元設(shè)置在所述驅(qū)動(dòng)單元上；所述驅(qū)動(dòng)單元設(shè)置在所述支撐單元上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述材料承載單元包括承載膜，所述承載膜上具有設(shè)定形狀和設(shè)定尺寸的孔。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元包括第一驅(qū)動(dòng)子單元和/或第二驅(qū)動(dòng)子單元；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述第一驅(qū)動(dòng)子單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述第二驅(qū)動(dòng)子單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元還包括固定單元，所述固定單元的第一端固定在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)；所述固定單元的第二端在所述支撐單元的內(nèi)側(cè)懸空。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一驅(qū)動(dòng)子單元包括第一熱雙金屬片；所述第一熱雙金屬片包括第一金屬片和第二金屬片，所述第一金屬片和第二金屬片接觸；所述第一金屬片和第二金屬片的線膨脹系數(shù)不同；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第二驅(qū)動(dòng)子單元或固定單元的第一拉力。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二驅(qū)動(dòng)子單元包括第二熱雙金屬片；所述第二熱雙金屬片包括第三金屬片和第四金屬片，所述第三金屬片和第四金屬片接觸；所述第三金屬片和第四金屬片的線膨脹系數(shù)不同；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產(chǎn)生形變，通過(guò)所述形變產(chǎn)生遠(yuǎn)離所述第一驅(qū)動(dòng)子單元或固定單元的第二拉力。7.一種微小材料拉伸方法，其特征在于，所述方法包括: 將微小材料固定在材料承載單元上； 驅(qū)動(dòng)單元利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力，進(jìn)而使得所述材料承載單元對(duì)微小材料進(jìn)行拉伸。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)單元利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力包括: 從所述驅(qū)動(dòng)單元的第一驅(qū)動(dòng)子單元、第二驅(qū)動(dòng)子單元和固定單元中選擇任意兩個(gè)單元作為拉力組合； 將所述材料承載單元設(shè)置在所述拉力組合之間； 所述拉力組合利用溫度對(duì)所述材料承載單元施加拉力。9.一種力學(xué)性能檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括權(quán)利要求1-6任一所述的微小材料拉伸裝置。
【文檔編號(hào)】G01N3/02GK106033039SQ201510102879
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日
【發(fā)明人】岳永海, 郭林
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)