廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測(cè)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(jī)械性能（剛度、彈性變形范圍、極限強(qiáng)度、韌性）的定量表征對(duì)理解其在目標(biāo)應(yīng)用中的性能非常重要，而測(cè)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(cè)量非常小的變形；在測(cè)量的時(shí)間量程（例如100 s）內(nèi)在納米級(jí)的位移下保持高度穩(wěn)定的測(cè)量系統(tǒng)；以亞納米分辨率測(cè)量微小力；處理（撿取-放置）納米纖維并將其放置在機(jī)械測(cè)試儀器上。在進(jìn)行納米力學(xué)測(cè)試前，需要對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行表面處理和尺寸測(cè)量，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測(cè)試原理

納米力學(xué)從研究的手段上可分為納觀計(jì)算力學(xué)和納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)。納米計(jì)算力學(xué)包括量子力學(xué)計(jì)算方法、分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和跨層次計(jì)算等不同類型的數(shù)值模擬方法。納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)則有兩層含義:一是以納米層次的分辨率來測(cè)量力學(xué)場(chǎng)，即所謂的材料納觀實(shí)驗(yàn)力學(xué);二是對(duì)特征尺度為1-100nm之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究，即所謂的納米材料實(shí)驗(yàn)力學(xué)。納米實(shí)驗(yàn)力學(xué)研究有兩種途徑:一是對(duì)常規(guī)的硬度測(cè)試技術(shù)、云紋法等宏觀力學(xué)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行改造，使它們能適應(yīng)納米力學(xué)測(cè)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(cè)量技術(shù)建立新原理、新方法。廣東高校納米力學(xué)測(cè)試設(shè)備納米力學(xué)測(cè)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(jì)和制造提供支持。

當(dāng)前納米力學(xué)主要應(yīng)用的測(cè)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(shí)際上還有另外一種基于AFM 的納米力學(xué)測(cè)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(duì)誤差低、力學(xué)性能敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)AFAM 了解和使用的還不多。為此，我們?cè)谇捌谘芯康幕A(chǔ)上，經(jīng)過整理和凝練，形成了這部專著，目的是推動(dòng)AFAM這種新型納米力學(xué)測(cè)量方法在國(guó)內(nèi)的普遍應(yīng)用。

在AFAM 測(cè)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(hào)處理的掃頻模式共振頻率追蹤系統(tǒng)。這一測(cè)試系統(tǒng)可以根據(jù)上一像素點(diǎn)的接觸共振頻率自動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)，可以同時(shí)對(duì)探針兩階模態(tài)的接觸共振頻率和品質(zhì)因子進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了UAFM 接觸共振頻率追蹤。利用納米力學(xué)測(cè)試，可以對(duì)納米材料的彈性形變和塑性形變進(jìn)行精細(xì)分析。

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

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

AFAM 方法提出之后，不少研究者對(duì)方法的準(zhǔn)確度和靈敏度方面進(jìn)行了研究。Hurley 等分析了空氣濕度對(duì)AFAM 定量化測(cè)量結(jié)果的影響。Rabe 等分析了探針基片對(duì)AFAM 定量化測(cè)量的影響。Hurley 等詳細(xì)對(duì)比了AFAM 單點(diǎn)測(cè)試與納米壓痕以及聲表面波譜方法的測(cè)試原理、空間分辨率、適用性及測(cè)試優(yōu)缺點(diǎn)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(cè)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(cè)試的準(zhǔn)確度。Turner 等通過嚴(yán)格的理論推導(dǎo)研究了探針不同階彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(cè)試靈敏度。Rupp 等對(duì)AFAM測(cè)試過程中針尖樣品之間的非線性相互作用進(jìn)行了研究。廣東半導(dǎo)體納米力學(xué)測(cè)試原理