專利名稱：單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種單根納米線在透射電子顯微鏡中原位彎曲變形的方法，利用透射電子顯微鏡可以實時觀測變形區原子結構的變化，揭示單根納米線的變形機制，屬于納米材料原位表征領域。
背景技術：
隨著納米器件的發展和微機械系統的開發，對于單根納米線的在外力作用下力學性能研究顯的尤為迫切，透射電子顯微鏡是研究納米材料微結構的有力工具，但是由于納米材料結構細小，難于操縱，在透射電子顯微鏡中如何對單根納米線樣品進行固定和原位變形，從納米尺度和原子層次揭示納米線在外力作用下變形機制，成為擺在研究人員面前的難題。目前由于受到實驗手段的限制，對于單根納米線的力學性能的直接測量非常困難，且數據比較離散，例如對碳納米管的彈性模量的測量，不同的方法可能相差一到兩個數量級，目前對于一維納米材料力學性能的實驗測量主要有兩種方法.
其中一種是利用原子力顯微鏡對納米線或管進行彎曲變形，詳見《Science》1997年277卷第1971-1975頁，“納米束的力學性能，納米棒和納米管的彈性，強度和韌性”(nanobeam mechanicsElasticity，Strength，and Toughness of Nanorods and Nanotubes)，利用原子力顯微鏡(AFM)在側向力模式下測量了獨立多壁碳納米管和碳化硅納米棒的彎曲模量，他們采用平板印刷技術將SiO覆蓋并壓住在低摩擦MoS2表面上沉積的多壁碳納米管的一端，然后使用AFM進行定位并測量多壁碳納米管和碳化硅納米棒的大小，再在沿碳納米管和碳化硅納米棒長度方向不同的接觸點處施加側向力，側向力推動多壁碳納米管，記錄下側向力對撓度的數據。最后根據考慮摩擦力、側向集中力以及梁剛度的連續模型對數據進行分析，擬合力-撓度曲線就可以得到多壁碳納米管的彎曲模量。利用該模型使梁彎曲超過臨界屈服點還得到了碳納米管和碳化硅納米棒彎曲強度，該方法操作過程較復雜，測量結果收人為影響因素較大，雖然在納米材料彈性變形階段可以較好的測量納米線或管的彈性模量，但當材料發生屈服時不能給出屈服過程納米線的結構變化，不能從根本上了解其變形機制。
另一種是利用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡的組合拉伸單根碳納米管的實驗，報道于《Science》2000年287卷637-640頁，他們一個掃描電子顯微鏡中安裝了兩個原子力顯微鏡探針，兩個原子力顯微鏡探針都向外拉伸而互相平行，他們先將單根納米管的兩頭分別粘在兩個探針的針尖上，接著在兩端施加載荷并在SEM下緊張觀察，根據伸長以及受到的拉力的大小，通過計算得到單根多壁碳納米管和單壁碳納米管的拉伸強度，并觀測了彈納米管的斷裂過程，該方法系統復雜，需要較高的實驗技術才能得到可靠的實驗數據，雖然可以利用掃描電子顯微鏡原位觀測拉伸直至斷裂過程，由于掃描電子顯微鏡的分辨率的限制，利用該方法最后納米管斷裂后仍然需要放入透射電子顯微鏡種觀察研究其斷裂行為，不能從原子層次上原位揭示其變形機制，該方法工藝復雜，使用數種不同的顯微設備才能完成，不利于普及推廣。
發明內容
上述所有納米材料力學性能測試中性能測試和結構分析是分開進行的，針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種利用透射電子顯微鏡原位實時記錄納米線在外力作用下微區的原子結構和變形過程的方法，將微區力學性能與微觀結構直接對應起來，從納米尺度及原子層次上揭示一維納米線的力學性能。
為了實現上面的目的，本發明中單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法及其裝置包括透射電子顯微鏡和對單根納米線可以施加外力的樣品支持膜。該樣品支持膜放在透射電子顯微鏡中利用電子束輻照會發生卷曲變形，分布在其上面的納米線也會隨著支持膜的變形發生彎曲變形，同時利用透射電子顯微鏡進行變形區的微區結構分析。
本發明提供了一種單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將納米線放入與納米線不發生反應的有機溶劑(例如，乙醇、丙酮)中，超聲波分散10-30分鐘，分散成懸浮液，將該懸浮液滴在涂有60-120nm火棉膠支持膜的金屬載網上，使納米線附著在支持膜上面；該金屬載網的孔徑為100目至1000目；2)將金屬載網固定在標準透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中；3)測量納米線的原始長度l0和直徑d0，調整透射電子顯微鏡的操作參數使火棉膠支持膜發生卷曲變形；分布在支持膜上的納米線隨著支持膜的變形發生彎曲變形；透射電子顯微鏡操作參數范圍為電子束加速電壓為80KV至400KV，電子束束流密度在1020至8×1030電子/平方厘米秒之間；4)通過透射電子顯微鏡實時原位記錄納米線的變形過程中最大應變區域結構變化；5)變形停止后測量變形后納米線的長度l和直徑d，利用公式n=l0d0]]>計算納米線的長度和直徑比，ϵ=l-l0l0]]>計算納米線的最大應變量。
通過對變形前后最大應變區域反映納米材料微結構變化的實時高分辨圖像的對比分析，可以在納米尺度和原子層次上揭示納米材料在變形過程中位錯的產生，以及裂紋的擴展變等反映材料微觀力學性能組織結構。
所述的樣品支持膜為火棉膠薄膜，薄膜的厚度根據需要測量的納米線的材質、直徑和長度一般為60-120nm，以能夠將納米線彎曲為宜。
所述的透射電子顯微鏡操作參數范圍為電子束加速電壓為80KV至400KV，電子束束流密度在1020至1030電子/平方厘米秒之間，以將60-120nm厚的火棉膠薄膜輻照發生卷曲變形為宜，一般較厚的薄膜需要較大的加速電壓和電子束束流密度。
進一步地，金屬載網是導電性良好，容易加工的是銅網，鎳網和金網，網的孔徑為100目至1000目，以分散在支持膜上的大部分單根納米線的長度落在一個網孔內為準。
本發明所用裝置包括透射電子顯微鏡，以及與其相配的透射電子顯微鏡樣品桿和試樣座，該試樣座上固定涂有60-120nm火棉膠支持膜的金屬載網，該金屬載網的孔徑為100目至1000目。
本發明所提供單根納米線力學性能原位測量和結構分析的方法適用于直徑在30-200nm，長徑比大于20的納米線。一般長度和直徑比較小的納米線需要較厚的火棉膠薄膜。
與已有的納米力學測量方法相比，巧妙利用透射電鏡樣品支持膜和電子束誘導火棉膠薄膜變形來實現納米線在透射電鏡中原位彎曲變形，從納米尺度和原子層次上揭示納米材料的微結構和力學性能的關系，同時可以原位觀察納米線在變形過程種結構的演變過程，以及納米線初始結構及尺寸對其力學性能的影響。該方法不需要購置專門的設備，具有普通的透射電子顯微鏡就可以實施，具有成本低工藝簡單的特點，將納米線的結構和力學性能直接聯系起來，是一種靈活可靠的單根納米線力學性能原位的測試方法。
圖1實施例1中Si納米線隨火棉膠卷曲而彎曲變形特征，納米線隨著火棉膠卷曲發生了明顯的彎曲變形，顯示了Si納米線具有大的彎曲強度圖2實施例2中SiC納米線彎曲變形時高分辨原子圖像，圖中顯示了上表面晶格彎曲變形。
圖3實施例3中SiC納米線變形后的高分辨原子圖像，圖中顯了局部區域開始非晶化特征。
圖4實施例4中SiC納米線變形后的高分辨原子圖像，圖中顯示了晶格拉伸變形特征實施例1將Si納米線粉末放在丙酮中超聲波分散20分鐘，將懸浮液滴在載網為100目鍍有60nm厚的火棉膠支持膜的金網上，將金網固定在透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中，在加速電壓200KV，調整電子束束流密度保持在2×1020電子/平方厘米秒，輻照火棉膠支持膜，支持膜發生了卷曲變形，Si納米線發生了彎曲變形，變形納米線的直徑為30nm，長度約為3μm，納米線的最大應變量為2.5％，納米線仍保持原有的結構，沒有發生斷裂和塑性變形，揭示了Si納米線具有大的彎曲強度，圖1給出了彎曲最大時的透射電子顯微鏡照片，照片中可以看出卷曲變形的火棉膠支持膜和彎曲變形的Si納米線。
實施例2將SiC納米線粉末放在乙醇中，經超聲波分散30分鐘，將分散的懸浮液滴在1000目的鍍有火棉膠支持膜的銅網上，火棉膠支持膜厚度為80nm，將銅網固定在透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中，在加速電壓80KV，調整電子束束流密度保持在1×1020電子/平方厘米秒，輻照火棉膠支持膜，支持膜發生了卷曲變形，帶動分布在其上的和周圍的SiC納米線發生運動或彎曲變形，其中一根直徑為200nm，長度為4.3μm的SiC納米線的變形過程進行了原位測量，其中一根SiC納米線在應變達到2％仍保持完全彈性行為，圖2給出了在最大彎曲變形時的高分辨原子晶格圖像，顯示晶格發生了明顯彎曲，將電子束束流密度提高為2×1024電子/平方厘米秒，支持膜繼續變形，SiC納米線的一端卸載后又完全伸為原來直線狀，原位揭示了SiC納米線的超彈性行為。
實施例3將SiC納米粉末放在乙醇中，經超聲波分散10分鐘，將分散的懸浮液滴在300目的鍍有火棉膠的支持膜的鎳網上，火棉膠支持膜厚度為100nm，將鎳網固定在透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中，在加速電壓300KV，調整電子束束流密度保持在8×1025電子/平方厘米，輻照火棉膠支持膜，支持膜發生了卷曲變形，一根直徑為150nm，長度為15μm SiC納米線隨著支持膜變形發生了彎曲變形，在最大彎曲彈性應變達到2.0％以后發生了塑性變形，通過高分辨圖像實時記錄了SiC納米線發生塑性變形的過程，圖3高分辨原子晶格圖像給出了在壓應力最大區域剛開始非晶化的變形特征，最后SiC納米線通過逐步的非晶化過程實現了塑性變形和縮頸現象，最大塑性應變量達到了60％，通過高分辨原子圖像實時揭示納米級SiC陶瓷材料的塑性變形特征和過程，將SiC納米線的結構變化和塑性變形特征直接聯系起來，在原子層次上揭示了SiC納米線的超塑性行為。
實施例4將SiC納米粉末放在丙酮中，經超聲波分散25分鐘，將分散的懸浮液滴在400目的鍍有火棉膠支持膜的銅網上，火棉膠支持膜厚度為120nm，將銅網固定透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中，在加速電壓400KV，調整電子束束流密度保持在8×1030電子/平方厘米，輻照火棉膠支持膜，支持膜發生了卷曲變形，一根直徑為40nm SiC納米線隨著支持膜變形發生了拉伸變形在最大應變達到3％，通過高分辨圖像實時記錄了SiC納米線變形的過程，發現SiC納米線晶格發生明顯的拉伸變形特征，并有位錯的產生，圖4給出了SiC納米線最后拉伸變形后的高分辨原子晶格圖像。
權利要求
1.一種單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將納米線放入與納米線不發生反應的有機溶劑中，超聲波分散10-30分鐘，分散成懸浮液，將該懸浮液滴在涂有60-120nm火棉膠支持膜的金屬載網上，使納米線附著在支持膜上面；該金屬載網的孔徑為100目至1000目；2)將金屬載網固定在透射電子顯微鏡樣品桿的試樣座上放入透射電鏡中；3)測量納米線的原始長度l0和直徑d0，調整透射電子顯微鏡的操作參數使火棉膠支持膜發生卷曲變形；分布在支持膜上的納米線隨著支持膜的變形發生彎曲變形；透射電子顯微鏡操作參數范圍為電子束加速電壓為80KV至400KV，電子束束流密度在1020至8×1030電子/平方厘米秒之間；4)通過透射電子顯微鏡實時原位記錄納米線的變形過程中最大應變區域結構變化；5)變形停止后測量變形后納米線的長度l和直徑d，利用公式n=l0d0]]>計算納米線的長度和直徑比，ϵ=l-l0l0]]>計算納米線的最大應變量。
2.根據權利要求1所述的單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法，其特征在于，所述的金屬載網為銅網、鎳網或者金網。
3.根據權利要求1所述的單根納米線原位力學性能測試和結構分析的方法所用裝置，其特征在于，該裝置包括透射電子顯微鏡，以及與其相配的透射電子顯微鏡樣品桿和試樣座，該試樣座上固定涂有60-120nm火棉膠支持膜的金屬載網，該金屬載網的孔徑為100目至1000目。
全文摘要
本發明屬納米材料原位表征領域。現有納米材料力學性能測試中性能測試和結構分析是分開進行的，且操作復雜等。本發明方法納米線放入有機溶劑中，超聲波分散10－30分鐘成懸浮液后滴在涂有60－120nm火棉膠支持膜的金屬載網上，使納米線附著在支持膜上；將金屬載網固定在試樣座上放入透射電鏡中；測量納米線的原始長度l
文檔編號G01N23/04GK1815180SQ200610057989
公開日2006年8月9日 申請日期2006年3月3日 優先權日2006年3月3日
發明者韓曉東, 張躍飛, 張澤 申請人:北京工業大學