[发明专利]可用于原子力显微镜的薄膜材料微挠曲加载装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在原子力显微镜下对薄膜材料进行挠曲变形加载的微小装置，用于研究薄膜材料的力学、电学、磁学等物理性质受基底机械变形的影响，属于功能材料“力学-电学-磁学-显微结构”相关性测量领域。

背景技术

原子力显微镜是对材料微纳米尺度形貌进行观测的有效手段。近些年，在其基础上发展起来的压电模块和磁场模块，是对铁电/压电材料、铁磁材料、半导体材料等，尤其是薄膜材料，进行微纳米尺度力学、电学和磁性性质测试表征的得力工具。随着纳米材料制备技术和测试技术的发展，人们逐渐认识到材料在微纳米尺度下物理性质往往与宏观体材料的物理性质存在显著的差异，例如：铁电材料的介电常数、自发极化、电滞回线、矫顽场、饱和极化强度等都存在明显的尺寸效应。学术上，人们尝试从挠曲电效应（介电材料中应变梯度引起极化强度的现象）、曲率相关效应等方面的理论对此进行解释，但至今这种微纳米尺度下的力电磁耦合效应的反常现象，仍未得到足够深刻的认识，其物理规律还有待从微观机理上进行进一步的探索；应用上，器件工程师们希望知道：其所应用的薄膜功能材料，在基地发生挠曲变形时，是否仍然可以正常工作，器件服役过程中相关材料性质受挠曲变形影响的规律是什么。

尽管美国Asylum Research公司最近已经开发出可置于原子力显微镜下的手动原位拉伸装置（NanoRack Sample Stretching Stage），但目前尚无能够直接进行原子力显微镜下的微弯曲加载的装置。究其原因，主要有三条：第一，原子力显微镜中探针与载物台之间的竖直空间很小，一般要求试样的高度小于2cm，因此在不改变仪器空间设计的前提下，很难开发出一种机械加载装置，既能满足竖直方向的空间限制，又能对材料进行竖直方向的弯曲加载；第二，目前，常见铁电/压电、铁磁，及磁电复合薄膜试件的尺寸特征范围为：厚度一般为数十至数百纳米，硅基底厚度约0.5mm，试件长度10~20mm，试件宽度约5mm；以这类体系为例，经力学理论计算和物理分析可得，一般需要加载的试件挠曲范围在0~1mm之间，才能较为系统地研究基底机械弯曲对于这类薄膜材料力学、电学、磁学和显微结构的影响规律，而微机电系统常用的压电驱动加载单元虽然具备体积小的优点，但很难达到如此大的加载量程；第三，原子力显微镜的测试精度对于外界环境的机械振动噪声和电磁噪声干扰敏感，因此存在明显噪声的电机驱动加载或电磁式驱动加载方式也不能满足要求。因此，如何在不对价格昂贵的精密仪器本身进行改造的前提下，合理利用其空间特点，进行满足量程和精度需求的加载，成为一个实际的亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于原子力显微镜的微挠曲加载装置，可与原子力显微镜联合使用，实现对于材料在承受挠曲变形时的微纳米尺度力、电、磁性质及微观结构的观测。该微挠曲加载装置要能够充分利用原子力显微镜的空间特点，不需要对原子力显微镜进行改造，结构简单，成本低，易于应用。

本发明提供的技术方案如下：

一种薄膜材料微挠曲加载装置，包括螺旋式加载轴、制动装置、装夹装置、加载杆、锥形加载头和基座，其中：加载杆与螺旋式加载轴轴连接，锥形加载头固定在加载杆顶端，由螺旋式加载轴推动加载杆和锥形加载头产生轴向位移；制动装置对螺旋式加载轴进行制动；螺旋式加载轴通过装夹装置固定在基座上。

为了在原子力显微镜的载物台上进行操作，所述螺旋式加载轴、加载杆和锥形加载头的最大径向尺寸应该小于20mm，优选为8-15mm。但若应用于其他材料性能测试设备，只要满足其相应的空间要求即可。

上述薄膜材料微挠曲加载装置的锥形加载头的小头朝外；制动装置可采用丝杠制动装置。基座可采用中间为凹槽的结构，凹槽的一侧为平台，用于放置并固定薄膜材料试件，装夹装置装夹于凹槽的另一侧。

本发明的薄膜材料微挠曲加载装置可以采用现有的微分头，配以锥形加载头、基座等来实现。现有的微分头通常包括螺旋式加载轴、丝杠制动装置和旋转式加载杆，有的还具有装夹装置。

本发明的薄膜材料微挠曲加载装置在应用时，将基座固定于原子力显微镜的载物台上，螺旋式加载轴、加载杆和锥形加载头的轴向呈水平方向；薄膜材料试件也水平放置，试件的一端固定（可通过粘接剂或机械夹持的方式固定于基座上），而另一端为自由端，自由端的末端与锥形加载头具有坡度的侧面接触；手动旋转螺旋式加载轴，使得加载杆和锥形加载头产生水平位移，从而导致试件自由端产生竖直方向的变形。