重慶高校納米力學(xué)測(cè)試

德國(guó)：T．Gddenhenrich等研制了電容式位移控制微懸臂原子力顯微鏡。在PTB進(jìn)行了一系列稱為1nm級(jí)尺寸精度的計(jì)劃項(xiàng)目，這些研究包括：①．提高直線和角度位移的計(jì)量；②．研究高分辨率檢測(cè)與表面和微結(jié)構(gòu)之間的物理相互作用，從而給出微形貌、形狀和尺寸的測(cè)量。已完成亞納米級(jí)的一維位移和微形貌的測(cè)量。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了用于研究多種微位移測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研制了用于大范圍納米測(cè)量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0．3nm，測(cè)量范圍±1．1μm，總不確定度優(yōu)于3．5nm。中國(guó)計(jì)量學(xué)院朱若谷提出了一種能補(bǔ)償環(huán)境影響、插入光纖傳光介質(zhì)的補(bǔ)償式光纖雙法布里―珀羅微位移測(cè)量系統(tǒng)，適合于納米級(jí)微位移測(cè)量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計(jì)量等。納米力學(xué)測(cè)試還可以評(píng)估材料在高溫、低溫等極端環(huán)境下的性能表現(xiàn)。重慶高校納米力學(xué)測(cè)試

借助原子力顯微鏡(AFM)的納米力學(xué)測(cè)試法，利用原子力顯微鏡探針的納米操縱能力對(duì)一維納米材料施加彎曲或拉伸載荷。施加彎曲載荷時(shí)，原子力顯微鏡探針作用在一維納米懸臂梁結(jié)構(gòu)高自山端國(guó)雙固支結(jié)構(gòu)的中心位置,彎曲撓度和載荷通過(guò)原子力顯微鏡探針懸曾梁的位移和懸臂梁的剛度獲取，依據(jù)連續(xù)力學(xué)理論，由試樣的載荷一撓度曲線獲得其彈性模量、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能參數(shù)。這種方法加載機(jī)理簡(jiǎn)單,相對(duì)拉伸法容易操作，缺點(diǎn)是原子力顯微鏡探針的尺寸與被測(cè)納米試樣相比較大,撓度較大時(shí)探針的滑動(dòng)以及試樣中心位置的對(duì)準(zhǔn)精度嚴(yán)重影響測(cè)試精度3、借助微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的片上納米力學(xué)測(cè)試法基于 MEMS 的片上納米力學(xué)測(cè)試法采用 MEMS 微加工工藝將微驅(qū)動(dòng)單元、微傳感單元或試樣集成在同一芯片上，通過(guò)微驅(qū)動(dòng)單元對(duì)試樣施加載荷，微位移與微力檢測(cè)單元檢測(cè)試樣變形與加載力，進(jìn)面獲取試樣的力學(xué)性能。四川原位納米力學(xué)測(cè)試方法在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米力學(xué)測(cè)試可用于研究細(xì)胞和組織的力學(xué)性質(zhì)。

AFAM 的基本原理是利用探針與樣品的接觸振動(dòng)來(lái)對(duì)材料納米尺度的彈性性能進(jìn)行成像或測(cè)量。AFAM 于20 世紀(jì)90 年代中期由德國(guó)薩爾布呂肯無(wú)損檢測(cè)研究所的Rabe 博士(女) 首先提出，較初為單點(diǎn)測(cè)量模式。2000 年前后，她們采用逐點(diǎn)掃頻的方式實(shí)現(xiàn)了模量成像功能，但是成像的速度很慢，一幅128×128 像素的圖像需要大約30min，導(dǎo)致圖像的熱漂移比較嚴(yán)重。2005 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的Hurley 博士(女) 采用DSP 電路控制掃頻和探針的移動(dòng)，將成像速度提高了4~5倍(一幅256×256 像素的圖像需要大約25min)。

微納米材料研究中用到的一些現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)：電子顯微法，電子顯微技術(shù)是以電子顯微鏡為研究手段來(lái)分析材料的一種技術(shù)。電子顯微鏡擁有高于光學(xué)顯微鏡的分辨率，可以放大幾十倍到幾十萬(wàn)倍的范圍，在實(shí)驗(yàn)研究中具有不可替代的意義，推動(dòng)了眾多領(lǐng)域研究的進(jìn)程。電子顯微技術(shù)的光源為電子束，通過(guò)磁場(chǎng)聚焦成像或者靜電場(chǎng)的分析技術(shù)才達(dá)成高分辨率的效果、利用電子顯微鏡可以得到聚焦清晰的圖像， 有利于研究人員對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察分析。利用納米力學(xué)測(cè)試，可以評(píng)估納米材料的可靠性和耐久性。

研究液相環(huán)境下的流體載荷對(duì)探針振動(dòng)產(chǎn)生的影響可以將AFAM 定量化測(cè)試應(yīng)用范圍擴(kuò)展至液相環(huán)境。液相環(huán)境下增加的流體質(zhì)量載荷和流體阻尼使探針振動(dòng)的共振頻率和品質(zhì)因子都較大程度上減小。Parlak 等采用簡(jiǎn)單的解析模型考慮流體質(zhì)量載荷和流體阻尼效應(yīng)，可以在液相環(huán)境下從探針的接觸共振頻率導(dǎo)出針尖樣品的接觸剛度值。Tung 等通過(guò)嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，提出通過(guò)重構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)函數(shù)的方法，將流體慣性載荷效應(yīng)進(jìn)行分離。此方法不需要預(yù)先知道探針的幾何尺寸及材料特性，也不需要了解周圍流體的力學(xué)性能。通過(guò)納米力學(xué)測(cè)試，我們可以評(píng)估納米材料在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和耐久性。重慶高校納米力學(xué)測(cè)試

跨學(xué)科合作，推動(dòng)納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)不斷創(chuàng)新，滿足多領(lǐng)域需求。重慶高校納米力學(xué)測(cè)試

AFAM 利用探針和樣品之間的接觸共振進(jìn)行測(cè)試，基于對(duì)探針的動(dòng)力學(xué)特性以及針尖樣品之間的接觸力學(xué)行為分析，可以通過(guò)對(duì)探針接觸共振頻率、品質(zhì)因子、振幅、相位等響應(yīng)信息的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品力學(xué)性能的定量化表征。AFAM 不只可以獲得樣品表面納米尺度的形貌特征，還可以測(cè)量樣品表面或亞表面的納米力學(xué)特性。AFAM 屬于近場(chǎng)聲學(xué)成像技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)聲學(xué)成像中聲波半波長(zhǎng)對(duì)成像分辨率的限制，其分辨率取決于探針針尖與測(cè)試樣品之間的接觸半徑大小。AFM 探針的針尖半徑很小(5~50 nm)，且施加在樣品上的作用力也很小(一般為幾納牛到幾微牛)，因此AFAM 的空間分辨率極高，其橫向分辨率與普通AFM 一樣可以達(dá)到納米量級(jí)。與納米壓痕技術(shù)相比，AFAM 在分辨率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通常認(rèn)為其測(cè)試過(guò)程是無(wú)損的。此外，AFAM 在成像質(zhì)量和速度方面均明顯優(yōu)于納米壓痕。目前，AFAM 已經(jīng)普遍應(yīng)用于納米復(fù)合材料、智能材料、生物材料、納米材料和薄膜系統(tǒng)等各種先進(jìn)材料領(lǐng)域。重慶高校納米力學(xué)測(cè)試