一種微小材料拉伸方法、裝置及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種微小材料拉伸裝置，本發明的所述裝置包括：材料承載單元，用于承載并固定微小材料；驅動單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對所述材料承載單元施加拉力；支撐單元，用于固定所述驅動單元；所述材料承載單元設置在所述驅動單元上；所述驅動單元設置在所述支撐單元上。本發明還同時公開了一種微小材料拉伸方法和一種力學性能檢測系統。
【專利說明】
一種微小材料拉伸方法、裝置及系統
技術領域
[0001]本發明屬于納米材料性能測試技術領域，尤其涉及一種微小材料拉伸方法、裝置及系統。
【背景技術】
[0002]近年來，由于半導體線寬的限制，人們將未來半導體業界的新一代技術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；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，在以他們為基本單元的納米器件中，這些微小的材料不可避免的會受到外界環境及各種外場的影響，包括力場、熱場、磁場和電場等等。因此，針對此類微小個體的各種性能的測試就顯得尤為重要，因為這將決定器件的可靠性和穩定性。在納米材料諸多優異性能中，力學性能一直是人們關注的焦點，隨著尺寸的減小，納米材料表現出了與其宏觀材料迥異的力學性能，針對材料微觀力學性能的研究也越來越多，但是由于技術上的限制，世界上只有幾個課題組在做相關的研究工作。
[0003]目前，針對納米材料力學性能的研究，人們已經陸續開發了多種納米材料力學性能測試技術。各大電子顯微鏡輔助器材生產廠家針對納米材料的力學性能的研究生產了若干種產品。例如美國Hysitron公司生產的P1-95型納米壓痕儀是針對透射電子顯微鏡而推出的一款納米力學測試系統，可以實現納米材料的壓縮和拉伸變形操作。單志偉教授領用該系統驗證了鎳(Ni)單晶樣品變形過程中的位錯饑餓機制，隨后在金屬彈塑性變形機制的研究上做了大量的工作。美國Nanofactory公司生產的TEM-STM樣品桿也可以實現在透射電鏡中壓痕試驗，這些產品都對納米材料力學性能的研究起到推動作用，Jianyu Huang領導的課題組利用該實驗裝置在金納米線的變形機制上做了大量的研究工作。
[0004]然而，以上幾種系統的價格極其昂貴，并且無法方便的獲得原子尺度形變信息，因此，對于其自身的應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構均一的樣品，例如無缺陷一維納米材料，無缺陷二維納米薄膜等材料。當此類材料的尺寸較小時，如長度小于2微米的納米線、納米管、納米棒，長度在上述范圍內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，由于缺乏對此類材料進行力學性能研究的方法，對于其力學行為的理解較少，大大限制了此類材料的制備及應用。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明實施例期望提供一種微小材料拉伸方法、裝置及系統，至少能解決現有納米材料力學性能測試方法無法獲得納米材料原子尺度的形變信息等技術問題。
[0006]本發明實施例的技術方案是這樣實現的:
[0007]本發明實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]驅動單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對所述材料承載單元施加拉力；
[0010]支撐單元，用于固定所述驅動單元；
[0011]所述材料承載單元設置在所述驅動單元上；所述驅動單元設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定形狀和設定尺寸的孔。
[0013]上述方案中，所述驅動單元包括第一驅動子單元和/或第二驅動子單元；所述第一驅動子單元的第一端固定在所述支撐單元的內側；所述第一驅動子單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空；所述第二驅動子單元的第一端固定在所述支撐單元的內側；所述第二驅動子單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空。
[0014]上述方案中，所述驅動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側；所述固定單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空。
[0015]上述方案中，所述第一驅動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不同；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第二驅動子單元或固定單元的第一拉力。
[0016]上述方案中，所述第二驅動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不同；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第一驅動子單元或固定單元的第二拉力。
[0017]本發明實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]驅動單元利用溫度對所述材料承載單元施加拉力，進而使得所述材料承載單元對微小材料進行拉伸。
[0020]上述方案中，所述驅動單元利用溫度對所述材料承載單元施加拉力包括:
[0021]從所述驅動單元的第一驅動子單元、第二驅動子單元和固定單元中選擇任意兩個單元作為拉力組合；
[0022]將所述材料承載單元設置在所述拉力組合之間；
[0023]所述拉力組合利用溫度對所述材料承載單元施加拉力。
[0024]本發明實施例還提供了一種力學性能檢測系統，所述系統包括上述任一所述的微小材料拉伸裝置。
[0025]本實施例的微小材料拉伸裝置通過材料承載單元對微小材料進行承載并固定；驅動單元利用溫度產生精確形變，對材料承載單元施加拉力，進而實現對微小材料的原子尺度的拉伸形變。
【附圖說明】
[0026]圖1為實施例1的微小材料拉伸裝置的組成結構圖；
[0027]圖2為實施例1的驅動單元的結構示意圖；
[0028]圖3為實施例2的微小材料拉伸方法的流程圖；
[0029]圖4為實施例2的驅動單元102利用溫度對所述材料承載單元101施加拉力的流程圖；
[0030]圖5為實施例4的對微小納米線和承載膜1011的操作示意圖；
[0031]圖6為實施例4的對微小納米薄膜和承載膜1011的操作示意圖。
[0032]為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標注了特定的尺寸、結構和器件，但這僅為示意需要，并非意圖將本發明限定在該特定尺寸、結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在后附的權利要求的范圍中。
【具體實施方式】
[0033]在以下的描述中，將描述本發明的多個不同的方面，然而，對于本領域內的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發明的一些或者全部結構或者流程來實施本發明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細節的情況下也可以實施本發明。在其他情況下，為了不混淆本發明，對于一些眾所周知的特征將不再進行詳細闡述。
[0034]實施例1
[0035]為了解決現有納米材料力學性能測試方法無法獲得納米材料原子尺度的形變信息等技術問題，本實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；本實施例所述的微小材料是指長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程中要受力進而對微小材料進行拉伸，所以還需要對微小材料進行固定，否則無法實現對微小材料的拉伸操作。
[0037]驅動單元102，用于固定所述材料承載單元101，并利用溫度對所述材料承載單元101施加拉力；材料承載單元101固定在驅動單元102上，驅動單元102屬于熱敏部件，能夠根據溫度的變化產生不同形變，進而對材料承載單元101施加不同的拉力。由于驅動單元是利用溫度產生形變的，而溫度的值很容易控制，因此，通過控制溫度就能夠控制驅動單元的精確形變，實現對被測量微小材料的原子尺度的力學性能測試。
[0038]支撐單元103，用于固定所述驅動單元102 ;所述材料承載單元101設置在所述驅動單元102上；所述驅動單元102設置在所述支撐單元103上，因此，支撐單元103就實現了對材料承載單元101和驅動單元102的固定。
[0039]本實施例的微小材料拉伸裝置通過材料承載單元101對微小材料進行承載并固定；驅動單元102利用溫度產生精確形變，對材料承載單元101施加拉力，進而實現對微小材料的原子尺度的拉伸形變。
[0040]具體的，所述驅動單元102包括第一驅動子單元1021和/或第二驅動子單元1022 ;所述第一驅動子單元1021的第一端固定在所述支撐單元103的內側；所述第一驅動子單元1021的第二端在所述支撐單元103的內側懸空；所述第二驅動子單元1022的第一端固定在所述支撐單元103的內側；所述第二驅動子單元1022的第二端在所述支撐單元103的內側懸空。
[0041]由于微小材料的力學性能各不相同，對于某些力學性能不高的微小材料，如果第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022同時對微小材料施加拉力，就可能無法獲得力學性能的準確形變信息。為此，可以采用一個驅動子單元(第一驅動子單元1021或第二驅動子單元1022)和一個不隨溫度發生形變的單元對這類微小材料進行實驗。
[0042]因此，所述驅動單元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的內側；所述固定單元1023的第二端在所述支撐單元103的內側懸空。這樣就構成了第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022(圖2(a))、第一驅動子單元1021和固定單元1023 (圖2 (b))、固定單元1023和第二驅動子單元1022 (圖2 (c))三種測量微小材料的拉力組合，如圖2所示。
[0043]為了便于對材料承載單元101施加均勻的拉力，每種拉力組合之間平行設置，并保持設定的距離，設定的距離用于便于根據被測量的微小材料的尺寸等條件對微小材料進行測量或觀察。具體的，第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022間隔第一設定距離平行設置；或所述第一驅動子單元1021和固定單元1023間隔第二設定距離平行設置；或所述第二驅動子單元1022和固定單元1023間隔第三設定距離平行設置。第一設定距離、第二設定距離和第三設定距離可以取相同的數值，也可以各不相同，視具體的微小材料和場景而定。
[0044]本實施例的所述材料承載單元101包括承載膜1011 ;當拉力組合為第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第一驅動子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側可以固定在所述第二驅動子單元1022的第二端；相應的，當拉力組合為第一驅動子單元1021和固定單元1023時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第一驅動子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側可以固定在所述固定單元1023的第二端；當拉力組合為第二驅動子單元1022和固定單元1023時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第二驅動子單元1022的第二端；所述承載膜1011的第二側可以固定在所述固定單元1023的第二端。
[0045]為了進一步對微小材料進行實驗，針對不同材質的微小材料，對應地對承載膜1011也要進行處理。當被測量的微小材料的尺寸和承載膜1011的尺寸屬于同一數量級的時候，可以直接在承載膜1011上對微小材料進行拉伸實驗。當被測量的微小材料的尺寸比承載膜1011的尺寸小很多的情況下，則需要對承載膜1011進行處理，以滿足微小材料的尺寸要求。為此，本實施例的承載膜1011可以設置多種孔，孔的形狀和尺寸可根據被測量的微小材料的尺寸而定。
[0046]本實施例的驅動單元102是利用溫度對材料承載單元101施加拉力的，因此，驅動單元102包含的第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022都選用熱敏材料。為了對材料承載單元101施加的拉力做到具有方向性，并盡量實現量化。本實施例的第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022可采用熱雙金屬片，熱雙金屬片能夠對拉力的方向進行控制，并且，熱雙金屬片的材料、尺寸等參數也可以設定，通過對溫度的控制，容易實現形變的量化控制，以便實現對微小材料原子尺度的力學性能測試。具體的，本實施例的所述第一驅動子單元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不同，這樣就能使第一驅動子單元1021具有方向性；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第二驅動子單元1022或固定單元1023的第一拉力。對應的，所述第二驅動子單元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不同，這樣就能使第二驅動子單元1022具有方向性；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第一驅動子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0047]實施例2
[0048]本實施例和實施例1屬于同一發明構思。本實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程中要受力進而對微小材料進行拉伸，所以還需要對微小材料進行固定，否則無法實現對微小材料的拉伸操作。所述材料承載單元101包括承載膜1011，當被測量的微小材料的尺寸和承載膜1011的尺寸屬于同一數量級的時候，可以直接在承載膜1011上對微小材料進行拉伸實驗。當被測量的微小材料的尺寸比承載膜1011的尺寸小很多的情況下，則需要對承載膜1011進行處理，以滿足微小材料的尺寸要求。為此，本實施例的承載膜1011可以設置多種孔，孔的形狀和尺寸可根據被測量的微小材料的尺寸而定。
[0051]步驟S202:驅動單元102利用溫度對所述材料承載單元101施加拉力，進而使得所述材料承載單元101對微小材料進行拉伸。
[0052]將微小材料固定在材料承載單元101上后，通過調整溫度，使得所述驅動單元102對所述材料承載單元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受到所述驅動單元102的拉力，實現了拉伸。
[0053]具體的，如圖4所示，步驟S202中所述驅動單元102利用溫度對所述材料承載單元101施加拉力包括:
[0054]步驟S2021:從所述驅動單元102的第一驅動子單元1021、第二驅動子單元1022和固定單元1023中選擇任意兩個單元作為拉力組合，拉力組合包含的兩個子單元平行設置；
[0055]本實施例的所述驅動單元102包括第一驅動子單元1021和/或第二驅動子單元1022 ;所述第一驅動子單元1021的第一端固定在所述支撐單元103的內側；所述第一驅動子單元1021的第二端在所述支撐單元103的內側懸空；所述第二驅動子單元1022的第一端固定在所述支撐單元103的內側；所述第二驅動子單元1022的第二端在所述支撐單元103的內側懸空。
[0056]由于微小材料的力學性能各不相同，對于某些力學性能不高的微小材料，如果第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022同時對微小材料施加拉力，就可能無法獲得力學性能的準確形變信息。為此，可以采用一個驅動子單元(第一驅動子單元1021或第二驅動子單元1022)和一個不隨溫度發生形變的單元對這類微小材料進行實驗。
[0057]因此，所述驅動單元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的內側；所述固定單元1023的第二端在所述支撐單元103的內側懸空。這樣就構成了第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022、第一驅動子單元1021和固定單元1023、固定單元1023和第二驅動子單元1022三種測量微小材料的拉力組合。
[0058]為了便于對材料承載單元101施加均勻的拉力，每種拉力組合之間平行設置，并保持設定的距離，設定的距離用于便于對微小材料的測量或觀察。具體的，第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022間隔第一設定距離平行設置；或所述第一驅動子單元1021和固定單元1023間隔第二設定距離平行設置；或所述第二驅動子單元1022和固定單元1023間隔第三設定距離平行設置。第一設定距離、第二設定距離和第三設定距離可以取相同的數值，也可以各不相同，視具體的微小材料和場景而定。
[0059]步驟S2022:將所述材料承載單元101設置在所述拉力組合之間；
[0060]本實施例的所述材料承載單元101包括承載膜1011 ;當拉力組合為第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第一驅動子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側可以固定在所述第二驅動子單元1022的第二端；相應的，當拉力組合為第一驅動子單元1021和固定單元1023時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第一驅動子單元1021的第二端；所述承載膜1011的第二側可以固定在所述固定單元1023的第二端；當拉力組合為第二驅動子單元1022和固定單元1023時，所述承載膜1011的第一側可以固定在所述第二驅動子單元1022的第二端；所述承載膜1011的第二側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所述材料承載單元施加拉力。
[0062]所述第一驅動子單元1021的第一熱雙金屬片利用溫度產生遠離所述第二驅動子單元1022或固定單元1023的第一拉力；
[0063]本實施例的驅動單元是利用溫度對材料承載單元101施加拉力的，因此，驅動單元102包含的第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022都選用熱敏材料。為了對材料承載單元101施加的拉力做到具有方向性，并盡量實現量化。本實施例的第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022可采用熱雙金屬片，熱雙金屬片能夠對拉力的方向進行控制，并且，熱雙金屬片的材料、尺寸等參數也可以設定，容易實現量化。具體的，本實施例的所述第一驅動子單元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不同，這樣就能使第一驅動子單元1021具有方向性；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第二驅動子單元1022或固定單元1023的第一拉力。
[0064]所述第二驅動子單元1022的第二熱雙金屬片利用溫度產生遠離所述第一驅動子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0065]所述第二驅動子單元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不同，這樣就能使第二驅動子單元1022具有方向性；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第一驅動子單元1021或固定單元1023的第二拉力。
[0066]如此，就實現了對微小材料拉伸操作。
[0067]實施例3
[0068]本實施例提供了一種力學性能檢測系統，本實施例的力學性能檢測系統包括實施例I所述的微小材料拉伸裝置，還包括其他用于通過微小材料拉伸裝置對微小材料進行拉伸實驗的設備，如透射電鏡等。
[0069]實施例4
[0070]以下通過一個實際的場景對本發明進行詳細說明。
[0071]本實施例以將微小材料拉伸裝置應用在透射電鏡上為例，本實施例提供的微小材料拉伸裝置可解決透射電鏡無法有效實現對尺度極微小樣品(微小材料)的原位變形操作的問題，實現在透射電鏡中對長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)的原位拉伸形變實驗；或者長度在上述范圍，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驗，進而從原子尺度研究力學性能。從原子尺度揭示材料變形過程中顯微組織結構變化信息與力學行為的響應機制，彌補對現行原位實驗方法的不足。
[0072]本實施例提供的微小材料拉伸裝置包括材料承載單元101、驅動單元102、支撐單元103三部分。為了配合透射電鏡的需要，本實施例的支撐單元103選用導熱系數良好的商用銅環；為了保證透射電鏡中電子束順利通過，本實施例的銅環尺寸為外徑為3毫米，內徑為2毫米。銅環的尺寸也可以根據實驗需要自行設計，銅環的形狀也可以為圓形、橢圓形、
方形等。
[0073]驅動單元102包括第一驅動子單元1021和/或第二驅動子單元1022，還可以包括固定單元1023。其中，第一驅動子單元1021和第二驅動子單元1022都采用熱雙金屬片。具體的，本實施例的所述第一驅動子單元1021包括第一熱雙金屬片；所述第二驅動子單元1022包括第二熱雙金屬片。本實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需要自行定義。為了滿足透射電鏡的試驗需要，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。
[0074]通過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，當通過升溫實現變形時，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較大的Cu金屬片設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側)；熱膨脹系數較小的Ti金屬片設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)。形變時，處于內側的Cu金屬片的形變大于外側的Ti金屬片的形變，第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片同時向第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片組成的空間的外側位移，使得第一熱雙金屬片和第二熱雙金屬片同時對材料承載單元101產生拉力。當通過降溫實現變形時，將Cu金屬片設置在外側，將Ti金屬片設置在內側。變形時，處于外側的Cu金屬片的形變大于內側的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對材料承載單元101產生拉力。
[0075]當拉力組合中有一個是固定單元1023 (拉力組合中不能出現兩個固定單元1023)時，對Cu-Ti熱雙金屬片的設置方式相同。
[0076]本實施例的材料承載單元101的承載膜1011選用商業生產的彈支持膜，也可以是半導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。為了對微小材料的拉伸試驗進行說明，本實施例的承載膜1011上設置有規則的矩形孔，長度和寬度可設置為幾納米-幾微米之間。針對不同的微小材料和實驗設備，承載膜1011的孔的形狀和尺寸可以自行設定。
[0077]總體來說，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。當為一維微小納米材料(如納米線)時，實驗前對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上的孔要能夠實現對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。因為微小納米線在放置到承載膜1011上是隨機的，所以還要從眾多的微小納米線中選出適合的做拉伸實驗。選出適合做實驗的微小納米線作為樣品，通過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上對應樣本軸線的部分切斷，如圖5 (c)所示。此時就可以將微小材料拉伸裝置整體放入透射電鏡上對樣本的力學性能進行測試了。當為微小納米薄膜時，實驗前對微小納米薄膜和承載膜1011的操作如圖6所示。對微小納米薄膜固定的方法和對微小納米線固定的方法類似。
[0078]實驗時，將微小材料拉伸裝置置于透射電鏡用的商用雙軸傾轉加熱樣品桿中(如果不需要傾轉帶軸，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，并通過樣品桿的雙軸傾轉系統將其傾轉到地址數正帶軸下。通過外部控溫設備提高溫度，所述的驅動單元102中的兩片熱雙金屬片，就會發生相對彎曲變形，帶動置于其上的材料承載單元101運動，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發生近似單軸拉伸變形，利用透射電鏡的成像系統可以實時的記錄其原子尺度的形變，揭示微小材料的力學性能。
[0079]本發明有如下優點:
[0080]1、本發明針對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)實現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、結構簡單、價格低廉的特點，極大地拓展了透射電鏡的功能。
[0081]2、本發明的微小材料拉伸裝置的外形尺寸可根據現有技術載網的尺寸制作，可以方便的裝入高分辨透射電鏡中，實現X、Y兩個方向大角度傾轉，可以在進行原位壓痕變形操作的同時，從最佳的晶帶軸實現高分辨成像，獲得微小材料的原子尺度的結構信息。
[0082]3、本發明可以很好的實現納米薄膜的拉伸變形操作，解決了對此類二維納米片層材料力學性能研究上研究手段匱乏的問題，極大的豐富了納米材料力學的實驗手段。
[0083]在本申請所提供的幾個實施例中，應該理解到，所揭露的設備和方法，可以通過其它的方式實現。以上所描述的設備實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，實際實現時可以有另外的劃分方式，如:多個單元或組件可以結合，或可以集成到另一個系統，或一些特征可以忽略，或不執行。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一些接口，設備或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性的、機械的或其它形式的。
[0084]上述作為分離部件說明的單元可以是、或也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是、或也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，也可以分布到多個網絡單元上；可以根據實際的需要選擇其中的部分或全部單元來實現本實施例方案的目的。
[0085]另外，在本發明各實施例中的各功能單元可以全部集成在一個處理模塊中，也可以是各單元分別單獨作為一個單元，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中；上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現，也可以采用硬件加軟件功能單元的形式實現。
[0086]本領域普通技術人員可以理解:實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括:移動存儲設備、只讀存儲器(Read-Only Memory，ROM)、隨機存取存儲器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0087]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
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； 驅動單元，用于固定所述材料承載單元，并利用溫度對所述材料承載單元施加拉力； 支撐單元，用于固定所述驅動單元； 所述材料承載單元設置在所述驅動單元上；所述驅動單元設置在所述支撐單元上。2.根據權利要求1所述的系統，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定形狀和設定尺寸的孔。3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述驅動單元包括第一驅動子單元和/或第二驅動子單元；所述第一驅動子單元的第一端固定在所述支撐單元的內側；所述第一驅動子單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空；所述第二驅動子單元的第一端固定在所述支撐單元的內側；所述第二驅動子單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空。4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述驅動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側；所述固定單元的第二端在所述支撐單元的內側懸空。5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述第一驅動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不同；所述第一金屬片和第二金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第二驅動子單元或固定單元的第一拉力。6.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述第二驅動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不同；所述第三金屬片和第四金屬片利用溫度產生形變，通過所述形變產生遠離所述第一驅動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； 驅動單元利用溫度對所述材料承載單元施加拉力，進而使得所述材料承載單元對微小材料進行拉伸。8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述驅動單元利用溫度對所述材料承載單元施加拉力包括: 從所述驅動單元的第一驅動子單元、第二驅動子單元和固定單元中選擇任意兩個單元作為拉力組合； 將所述材料承載單元設置在所述拉力組合之間； 所述拉力組合利用溫度對所述材料承載單元施加拉力。9.一種力學性能檢測系統，其特征在于，所述系統包括權利要求1-6任一所述的微小材料拉伸裝置。
【文檔編號】G01N3/02GK106033039SQ201510102879
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月9日
【發明人】岳永海, 郭林
【申請人】北京航空航天大學