廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測試原理

納米纖維已經(jīng)展現(xiàn)出各種有趣的特性，除了高比表面積-體積比，納米纖維相比于塊狀材料，沿主軸方向有更突出的力學(xué)特性。因此納米纖維在復(fù)合材料、纖維、支架（組織工程學(xué)）、藥物輸送、創(chuàng)傷敷料或紡織業(yè)等領(lǐng)域是一種非常有應(yīng)用前景的材料。納米纖維機械性能（剛度、彈性變形范圍、極限強度、韌性）的定量表征對理解其在目標(biāo)應(yīng)用中的性能非常重要，而測量這些參數(shù)需要高度專業(yè)畫的儀器，必須具備以下功能：以亞納米的分辨率測量非常小的變形；在測量的時間量程（例如100 s）內(nèi)在納米級的位移下保持高度穩(wěn)定的測量系統(tǒng)；以亞納米分辨率測量微小力；處理（撿取-放置）納米纖維并將其放置在機械測試儀器上。在進行納米力學(xué)測試前，需要對測試樣品進行表面處理和尺寸測量，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測試原理

納米力學(xué)從研究的手段上可分為納觀計算力學(xué)和納米實驗力學(xué)。納米計算力學(xué)包括量子力學(xué)計算方法、分子動力學(xué)計算和跨層次計算等不同類型的數(shù)值模擬方法。納米實驗力學(xué)則有兩層含義:一是以納米層次的分辨率來測量力學(xué)場，即所謂的材料納觀實驗力學(xué);二是對特征尺度為1-100nm之間的微細結(jié)構(gòu)進行的實驗力學(xué)研究，即所謂的納米材料實驗力學(xué)。納米實驗力學(xué)研究有兩種途徑:一是對常規(guī)的硬度測試技術(shù)、云紋法等宏觀力學(xué)測試技術(shù)進行改造，使它們能適應(yīng)納米力學(xué)測量的需要;另一類是創(chuàng)造如原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等新的納米力學(xué)測量技術(shù)建立新原理、新方法。廣東高校納米力學(xué)測試設(shè)備納米力學(xué)測試可以解決納米材料在微納尺度下的力學(xué)問題，為納米器件的設(shè)計和制造提供支持。

當(dāng)前納米力學(xué)主要應(yīng)用的測試手段是納米壓痕和基于原子力顯微鏡(AFM) 的力—距離曲線方法，實際上還有另外一種基于AFM 的納米力學(xué)測試方法——掃描探針聲學(xué)顯微術(shù)(atomic force acoustic microscopy，AFAM)。AFAM具有分辨率高、成像速度快、相對誤差低、力學(xué)性能敏感度高等優(yōu)點。然而，目前AFAM 的應(yīng)用還不夠普遍，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對AFAM 了解和使用的還不多。為此，我們在前期研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過整理和凝練，形成了這部專著，目的是推動AFAM這種新型納米力學(xué)測量方法在國內(nèi)的普遍應(yīng)用。

在AFAM 測試系統(tǒng)開發(fā)方面，Hurley 等開發(fā)了一套基于快速數(shù)字信號處理的掃頻模式共振頻率追蹤系統(tǒng)。這一測試系統(tǒng)可以根據(jù)上一像素點的接觸共振頻率自動調(diào)整掃描頻率的上下限。隨后，他們又開發(fā)出一套稱為SPRITE(scanning probe resonance image tracking electronics) 的測試系統(tǒng)，可以同時對探針兩階模態(tài)的接觸共振頻率和品質(zhì)因子進行成像，并較大程度上提高成像速度。Rodriguez 等開發(fā)了一種雙頻共振頻率追蹤(dual frequency resonance tracking，DFRT) 的方法，此種方法應(yīng)用于AFAM 定量化成像中，可以同時獲得探針的共振頻率和品質(zhì)因子。日本的Yamanaka 等利用PLL(phase locked loop) 電路實現(xiàn)了UAFM 接觸共振頻率追蹤。利用納米力學(xué)測試，可以對納米材料的彈性形變和塑性形變進行精細分析。

用戶可設(shè)計自定義的測試程序和測試模式：①FT-NTP納米力學(xué)測試平臺,是一個5軸納米機器人系統(tǒng),能夠在絕大部分全尺寸的SEM中對微納米結(jié)構(gòu)進行精確的納米力學(xué)測試。②FT-nMSC模塊化系統(tǒng)控制器,其連接納米力學(xué)測試平臺,同步采集力和位移數(shù)據(jù)。其較大特點是該控制器提供硬。件級別的傳感器保護模式,防止微力傳感探針和微鑷子的力學(xué)過載。③FT-nHCM手動控制模塊,其配置的兩個操控桿方便手動控制納米力學(xué)測試平臺。④帶接線口的SEM法蘭,實現(xiàn)模塊化系統(tǒng)控制器和納米力學(xué)測試平臺的通訊。納米力學(xué)測試在航空航天領(lǐng)域，為超輕、強度高材料研發(fā)提供支持。湖南高校納米力學(xué)測試定制

納米力學(xué)測試設(shè)備的精度和靈敏度對于獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果至關(guān)重要。廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測試原理

AFAM 方法提出之后，不少研究者對方法的準(zhǔn)確度和靈敏度方面進行了研究。Hurley 等分析了空氣濕度對AFAM 定量化測量結(jié)果的影響。Rabe 等分析了探針基片對AFAM 定量化測量的影響。Hurley 等詳細對比了AFAM 單點測試與納米壓痕以及聲表面波譜方法的測試原理、空間分辨率、適用性及測試優(yōu)缺點等。Stan 等提出一種雙參考材料的方法，此方法不需要了解針尖的力學(xué)性能，可以在一定程度上提高測試的準(zhǔn)確度。他們還提出了一種基于多峰接觸的接觸力學(xué)模型，在一定程度上可以提高測試的準(zhǔn)確度。Turner 等通過嚴格的理論推導(dǎo)研究了探針不同階彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動模態(tài)的靈敏度問題。Muraoka提出一種在探針微懸臂末端附加集中質(zhì)量的方法，以提高測試靈敏度。Rupp 等對AFAM測試過程中針尖樣品之間的非線性相互作用進行了研究。廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測試原理