多探针集成纳米力学检测技术与系统研究

基于电子扫描和原子力扫描显微镜观察平台，研究纳米尺度结构和器件的力学性能检测系统，发展纳米尺度检测对象的夹持、加载和探测技术，从实验角度研究夹持、加载单元和夹持对象的相互作用强度及机理；研究纳米固体实验力学的原位、精细计量技术，尤其是发展对纳米特征尺度检测对象的原位逐点和全场检测新技术；研究特征尺度为微米量级的微力传感器，探讨微尺度微力传感器的感知机理、微力信号的转换与传输、标定以及与检测系统的连接技术，分析微力的控制与稳定性能；研究纳米实验检测中的一体化分析方法以及提取变形、应力等力学参数的测量方法，发展和实验相结合的考虑纳尺度条件下的关键相互作用、相互耦合、非线性和多参数系统的力学参量反演方法；通过建立的纳米力学检测系统和检测技术，从实验入手结合理论和数值分析，研究纳米引线和低电介质材料的力学性能及其演化对纳米线电参数的影响，研究典型纳米结构在范德华相互作用下的运动和变形特性。

微纳米技术的发展，使得结构和材料的特征尺度进入到微米及纳米尺度，研究这一尺度下材料的力学性能和行为是力学领域研究的重要课题，也是微电子、材料和生物等领域，探讨其材料和器件可靠性、评价其功能和性能的重要指标。本课题基于电子扫描和原子力扫描显微镜观察平台，研究基于探针平台的纳米尺度结构和器件的力学性能检测系统，发展纳米尺度检测对象的夹持、加载和探测技术，从实验角度研究夹持、加载单元和夹持对象的相互作用强度及机理；研究微纳米固体实验力学的原位、精细计量技术，以及微力传感技术；研究微纳米实验检测中的一体化分析方法以及变形、微力等力学参数的提取；通过建立的纳米力学检测系统和检测技术，从实验入手结合理论和数值分析，研究纳米引线的耦合力学性能及其演化、纳区域/浅层表面材料的力学性能，以及典型微纳米结构在范德华相互作用下的运动特性等。.经过近三年的研究，本项目以微纳米尺度条件下的探针检测技术、系统和应用为主要研究内容，在如下几方面取得了重要的研究进展：（1）研制了极坐标式和坐标式两套探针微纳米实验力学检测系统，在光学和扫描电子显微平台实现了多场耦合力学性能的精细测量；（2）提出了多层级探针位置标定、加载与传感检测技术，实现了探针测量中探针加载和检测对象位移分离的检测方式，解决了探针变形和试样变形耦合分离的问题；（3）系统地研究了微纳米尺度下检测对象的夹持和加载问题，提出了四类夹持技术，完成了其夹持强度的分析。这一研究为微纳米尺度下实现可靠的实验力学测量提供了有效工具。（4）提出了基于割线斜率法的纳区域、浅表层材料模量等力学参数检测和分析的探针压入测量技术，研究了探针针尖倾斜、探针和试样刚度失配，以及材料浅层表面塑性等因素对检测参数的影响。（5）以纳米互联引线的力电热疲劳、石墨薄层的超润滑运动等典型微纳尺度力学问题为对象，采用上述技术和测量系统研究其力学参量的演化规律，取得了一些有重要学术影响的研究成果。本项目完成研究论文16篇, 其中被 SCI 检索8篇，8人次在国际和国内学术会议做邀请报告；授权专利3项；培养 5名研究生（毕业博士生1名，在读博士生3，硕士生1名, 2011年出国）；2010-2012 年有3篇与本项目相关的论文分别获得北京市力学会和全国实验力学大会青年优秀论文。