[发明专利]一种精确测量纳米线杨氏模量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量杨氏模量的方法，特别是关于一种精确测量纳米线杨氏模量的方法。

背景技术

纳米线不但具有优良的力学性能和准一维特性，而且还具备很好的光学、电学、磁性质，因而被广泛应用作各种纳电子器件(NEMS)的基本元件。杨氏模量是表征固体材料弹性性质的重要力学参数，它反映了固体材料抵抗外力产生形变的能力，是材料力学中衡量固体材料抗形变能力的重要物理量。由于纳米线是纳电子器件的基本元件，因此当纳电子器件产生一系列力学行为时，如振动、弯曲或拉伸，纳米线不可避免地也产生相应的力学行为。纳米线力学性能的测量是未来纳米线的工程应用的基础，为纳电子器件的设计和应用提供了必要的参数。另一方面，由于纳米材料的力学性能与具有相同化学成分的材料的力学性能有较大差异，因此杨氏模量的准确测量也是研究纳米尺度下材料的宏观力学性能与其微观结构关系的基础。然而由于纳米尺度下夹持和加载的困难，传统的力学性能测试方法与设备几乎不能用于纳米线杨氏模量的测量。

目前纳米材料力学性能的测量主要是针对一维纳米材料即纳米线进行测量。纳米线杨氏模量的测量方法主要有热共振法、基于原子力显微镜的三点弯曲法、纳米压痕法、单轴拉伸法和电致共振法等。其中电致共振法是测量纳米线杨氏模量最常用的方法，它利用静电力激励纳米线悬臂梁致共振，通过测量纳米线悬臂梁共振频率来推算纳米线的杨氏模量。由于电致共振法测量的是纳米线悬臂梁的共振频率而非位移，其测量精度较高，同时它的操作非常简单，但是由于在纳米尺度下观测和操纵的困难，纳米线悬臂梁在固定端的实际支撑位置通常并不是实验观察到的支撑位置，也就是说纳米线悬臂梁在固定端部存在一个不确定的长度。这个不确定的长度将在很大程度上影响纳米线悬臂梁的共振频率，从而造成纳米线杨氏模量的测量误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种精确测量纳米线杨氏模量的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种精确测量纳米线杨氏模量的方法，其步骤包括：1)采集纳米线源；2)分别将第一金属针尖、第二金属针尖和第三金属针尖放置在可供纳米观测和操纵的系统的针尖套管中，同时将所述纳米线源放置在显微镜的样品台上；3)操纵所述第一金属针尖从所述纳米线源中取出一根纳米线；4)将所述纳米线的一端固定在所述第一金属针尖的尖端，形成纳米线悬臂梁的固定端，所述纳米线的另一端悬空形成纳米线悬臂梁的自由端；通过显微镜可测量出所述纳米线的横截面直径d，以及所述纳米线悬臂梁的观测长度L₀；5)操纵所述第二金属针尖靠近所述纳米线悬臂梁的自由端作为电极，并在所述电极上施加电压直至所述纳米线悬臂梁发生共振，记录所述纳米线悬臂梁的固有频率f；6)操纵所述第三金属针尖，使其粘在所述纳米线悬臂梁上，记录此时所述第三金属针尖与所述纳米线悬臂梁的观测支点之间的距离l_p；重复步骤5)，记录此时所述纳米线悬臂梁的固有频率f_p；7)操纵所述第三金属针尖在所述纳米线悬臂梁上移动到一个新的位置，重复步骤6)，测量所述纳米线悬臂梁的固有频率f_p；反复操作，得到不同l_p下的一组(f_p/f，ξ)数据点，其中ξ＝l_p/L₀；8)根据所述(f_p/f，ξ)数据点得到一条f_p/f-ξ实验数据曲线；9)经过拟合，在一组f_p/f-ξ′理论数据曲线中得到一条与所述f_p/f-ξ实验数据曲线最为吻合的f_p/f-ξ′理论数据曲线，其中则所述最为吻合的f_p/f-ξ′理论数据曲线对应的测量误差l_u即为所述纳米线悬臂梁的测量误差；所述纳米线悬臂梁的实际长度为：L＝L₀+l_u；10)将所述纳米线悬臂梁的实际长度L和所述纳米线悬臂梁的固有频率f代入方程