原位納米力學(xué)測(cè)試原理

納米壓痕儀的應(yīng)用，納米壓痕儀可適用于有機(jī)或無(wú)機(jī)、軟質(zhì)或硬質(zhì)材料的檢測(cè)分析，包括PVD、CVD、PECVD薄膜，感光薄膜，彩繪釉漆，光學(xué)薄膜，微電子鍍膜，保護(hù)性薄膜，裝飾性薄膜等等。基體可以為軟質(zhì)或硬質(zhì)材料，包括金屬、合金、半導(dǎo)體、玻璃、礦物和有機(jī)材料等。半導(dǎo)體技術(shù)(鈍化層、鍍金屬、Bond Pads)；存儲(chǔ)材料(磁盤(pán)的保護(hù)層、磁盤(pán)基底上的磁性涂層、CD的保護(hù)層)；光學(xué)組件(接觸鏡頭、光纖、光學(xué)刮擦保護(hù)層)；金屬蒸鍍層；防磨損涂層(TiN， TiC， DLC， 切割工具)；藥理學(xué)(藥片、植入材料、生物組織)；工程學(xué)(油漆涂料、橡膠、觸摸屏、MEMS)等行業(yè)。納米力學(xué)測(cè)試還可以評(píng)估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。原位納米力學(xué)測(cè)試原理

較大壓痕深度1.5 μ m時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其中納米硬度平均值為0.46GPa，而用傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法得到的硬度平均值為0.580GPa，這說(shuō)明傳統(tǒng)硬度計(jì)算方法在微納米硬度測(cè)量時(shí)誤差較大，其原因就是在微納米硬度測(cè)量時(shí)，材料變形的彈性恢復(fù)造成殘余壓痕面積較小，傳統(tǒng)方法使得計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生了偏差，不能正確反映材料的硬度值。圖片通過(guò)對(duì)不同載荷下的納米硬度測(cè)量值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，單晶鋁的納米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范圍內(nèi)隨著載荷（壓頭位移）的降低而逐漸增大，也就是存在壓痕尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。圖3反映了納米硬度隨壓痕深度的變化。較大壓痕深度1μm時(shí)單晶鋁彈性模量與壓痕深度的關(guān)系。此外，納米硬度儀還可以輸出接觸剛、實(shí)時(shí)載荷等隨壓頭位移的變化曲線，試驗(yàn)者可以從中獲得豐富的信息。海南材料科學(xué)納米力學(xué)測(cè)試方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米力學(xué)測(cè)試有助于了解細(xì)胞與納米材料的相互作用機(jī)制。

微納米材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)可移動(dòng)范圍：250mm x 150mm；步長(zhǎng)分辨率：50nm；Encoder 分辨率：500nm；較大移動(dòng)速率：30mm/S；Z stage?？梢苿?dòng)范圍：50mm；步長(zhǎng)分辨率：3nm；較大移動(dòng)速率：1.9mm/S。原位成像掃描范圍。XY 方向：60μm x 60μm；Z 方向：4μm；成像分辨率：256 x 256 像素點(diǎn)；掃描速率：3Hz；壓頭原位的位置控制精度：＜+/-10nm；較大樣品尺寸：150mm- 200mm。納米壓痕試驗(yàn)：測(cè)試硬度及彈性模量（包括隨著連續(xù)壓入深度的變化獲得硬度和彈性模量的分布）以及斷裂韌性、蠕變、應(yīng)力釋放等。 納米劃痕試驗(yàn)：獲得摩擦系數(shù)、臨界載荷、膜基結(jié)合性質(zhì)。納米摩擦磨損試驗(yàn) ：評(píng)價(jià)抗磨損能力。在壓痕、劃痕、磨損前后的SPM原位掃描探針成像: 獲得微區(qū)的形貌組織結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)的江西省科學(xué)院、清華大學(xué)、南昌大學(xué)等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對(duì)高精度納米和亞納米量級(jí)的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測(cè)量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品表面輪廓的測(cè)量過(guò)程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測(cè)量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源，共光路設(shè)計(jì)提高了抗外界環(huán)境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0．39nm和0．73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強(qiáng)差法的納米測(cè)量原理。納米力學(xué)測(cè)試應(yīng)用于半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域，具有普遍前景。

對(duì)納米元器件的電測(cè)量——電壓、電阻和電流——都帶來(lái)了一些特有的困難，而且本身容易產(chǎn)生誤差。研發(fā)涉及量子水平上的材料與元器件，這也給人們的電學(xué)測(cè)量工作帶來(lái)了種種限制。在任何測(cè)量中，靈敏度的理論極限是由電路中的電阻所產(chǎn)生的噪聲來(lái)決定的。電壓噪聲[1]與電阻的方根、帶寬和一定溫度成正比。高的源電阻限制了電壓測(cè)量的理論靈敏度[2]。雖然完全可能在源電阻抗為1W的情況下對(duì)1mV的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但在一個(gè)太歐姆的信號(hào)源上測(cè)量同樣的1mV的信號(hào)是現(xiàn)實(shí)的。通過(guò)納米力學(xué)測(cè)試，可以測(cè)量納米材料的彈性模量、硬度和斷裂韌性等力學(xué)性能。四川空心納米力學(xué)測(cè)試原理

納米力學(xué)測(cè)試可以用于研究納米材料的界面行為和相互作用，為納米材料的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。原位納米力學(xué)測(cè)試原理

納米壓痕獲得的材料信息也比較豐富，既可以通過(guò)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得材料的硬度、彈性模量、斷裂韌性、相變(疇變) 等信息，也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試獲得被測(cè)樣品的存儲(chǔ)模量、損耗模量或損耗因子等。另外，動(dòng)態(tài)納米壓痕技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料微納米尺度存儲(chǔ)模量和損耗模量的模量成像(modulus mapping)。圖1 是美國(guó)Hysitron 公司生產(chǎn)的TI-900 Triboindenter 納米壓痕儀的實(shí)物圖。納米壓痕作為一種較通用的微納米力學(xué)測(cè)試方法，目前仍然有不少研究者致力于對(duì)其方法本身的改進(jìn)和發(fā)展。原位納米力學(xué)測(cè)試原理