微纳米尺度材料力学性能测量系统研究

Micro/nano scale materials possess superior mechanical properties and have been widely used in new structures and devices. However, there is a great difference of mechanical properties between the materials at micro/nano scale and their bulk counterparts, which causes great difficulties in the design and reliability assessment of micro/nano structures and devices. Traditional measurement systems can not adapt to such a small size tested materials. Thus, development of micro/nano scale measurement system has become an urgent issue in basic research and industrial applications. The project will develop a measurement system that the characteristic length of tested objects is from several hundreds micrometers to several tens nanometers. The test system has the loading configurations of tension, compression, bend, vibration (fatigue), and electromechanical coupling loading mode, operates at the scanning electron microscope (SEM) stage, as well as the atomic force (AFM) and optical microscopy (OM) platforms. The test system’s parameters are load range from 500 mN to 100 pN with sensitivity of 10 pN, displacement range from 5 nm to 250 micrometers with resolution of 5 nm; and the maximum gauge length of 500 micrometers, respectively. Based on the developed system, the materials strength and their deformation mechanism of nanowires, low-dimensional films, and graphene composite material at micro and nano scale will be investigated. Meanwhile, mechanical properties tests for matrix, inclusion and interface phases will be carried out to verify the system reliability and validity. Finally, the study on the coupling interaction between the test system and the sample will be examined to estimate the impact of the test system in nanoscale mechanical measurements.

微纳尺度材料具有优越的力学性能被广泛地用于新结构和器件中，但其力学性能和体材料有巨大的差别，这对结构和器件的设计以及可靠性评估造成极大困难。传统的测量系统无法适应如此小尺寸的材料检测，因此研发微尺度下材料力学性能测量系统成为基础研究和工业应用的迫切课题。项目将研制一套跨数百微米到数十纳米尺度的材料力学性能测量系统，具有拉、压、弯曲、振动（疲劳）以及力电耦合等加载模式，在扫描电子显微镜中完成力学性能检测，并兼顾原子力和光学显微平台。检测系统载荷范围为500毫牛-100皮牛，灵敏度10皮牛；位移范围为5纳米-250微米，分辨5纳米；试件测试区最大长度500微米。在此基础上以纳米线、低维薄膜、石墨烯等复合材料为对象，研究微纳米尺度下材料强度及其变形机理；开展基体、夹杂及界面相等的跨尺度力学性能检测，以验证系统的可靠性和有效性；同时开展系统和试样耦合相互作用研究，探讨检测系统在纳尺度检测中的影响。

微纳米尺度材料具有优越的力学性能，但其和体材料有巨大的差别，这对器件的设计以及可靠性评估造成极大困难。传统力学测量系统无法适小尺寸的材料检测，因此研制微尺度材料力学性能测量系统成为基础研究和工业应用的迫切课题。项目研制一套跨百微米到数十纳米的材料力学性能测量系统，具有拉、压、弯曲、以及振动等加载模式，在光学和扫描电子显微镜中完成力学性能检测。检测系统载荷范围为500 毫牛-100 皮牛，位移为250微米-5纳米，试件测试区最大长度500微米。在此基础上以纳米线、石墨烯等低维材料为对象，研究其其变形机理；开展对基底、异质材料及界面等的跨尺度力学性能检测，微纳米对象的夹持、加载与操纵等，以验证系统的可靠性和有效性。..研究完成了项目任务书的内容，取得的主要创新成果了如下：1）研制了一套微纳米力学测量系统m-MTS，它既具有传统小尺度材料力学实验机的功能，又兼具MEMS和微纳米探针特点，是一台多尺度、跨观察平台（光学显微镜、扫描电子显微镜、微拉曼光谱）的微纳米力学测量系统。它将微纳米力学检测中涉及的测量范围宽(力：N-nN、位移：100 微米-1nm，试件特征尺寸：mm-10nm) 与精细测量（系统模块设计，粗细分级、MEMS片上模块，以及高精度位移场漂移和畸变修正等）融于同一实验装置中。2）m-MTS模式化设计使其有多种组合方式，可结合其它微纳米平台、传感器、操纵单元实现多功能力学测量和操纵。3）m-MTS集成了由精密机械加工、MEMS制造、压电陶瓷控制的小尺度、精密、弱信号光机电系统和装置；开发了多种微力传感器，加载单元，控制、放大与噪声拟制电子模块等。4）在应用研究方面，涉及微纳米材料和器件的力学性能测量和微纳米对象的夹持、操纵和定位。前者完成了多尺度细菌单丝/束、超长碳纳米管、低维石墨烯界面与半导体异质材料的动静态力学性能测量，发现了细菌单丝的长度效应和湿度在45%时的脆韧转换现象，石墨烯与基底在界面变形传递过程中存在尺寸效应；建立了单晶硅体系任意晶面的拉曼-力学模型，提出了各晶向拉曼测量所对应的拉曼-应力关系。后者，首次测量了石墨层间解离能以及超长碳管束中管间界面相互作用力；建立了基于LDV和压电敏感的剪切机制表面相互作用测量系统，实现了介观距离相互作用的直接测量；发现了压入载荷和接触电阻曲线上的平台区域，提出了平台区两线法接触电阻的简化检测方法。