[发明专利]一种扫描/透射电子显微镜用热驱动单轴拉伸/压缩变形装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种扫描/透射电子显微镜用热驱动单轴拉伸/压缩变形装置，结合扫描/透射电镜可以实现对材料变形过程中纳米/原子尺度显微结构的演变进行原位观察，同时通过扫描/透射电镜观察实时提供样品应变信息，属于材料力学性能-显微结构一体化原位表征仪器设备领域。

背景技术：

当材料特征尺度小至微纳米量级时，强烈的尺寸效应使其力学、物理性能与宏观材料有明显不同。理解材料的各种力学性能参数如杨氏模量、抗拉强度和泊松比等所对应的物理、显微结构机制，改善和提高材料的力学、物理性能，对于评估各种微纳器件结构设计的可靠性和使用寿命具有重要的参考价值，因而迫切需要发展相应的微纳尺度力学、物理性能—显微结构一体化表征方法，实现在微纳米尺度下对材料力学行为及其内在机理进行深入的研究。

扫描和透射电子显微镜是研究物质微观结构的现代化大型仪器设备，目前它们的分辨率分别可达3-6nm和0.2nm，在物理、化学、材料科学和生命科学等领域，特别是目前发展迅速的纳米科学和技术领域，有着广泛的应用，是最为有力的研究工具之一。基于扫描或透射电镜的原位微纳尺度力学性能测试技术可在测量材料力学性能的同时，实时显示材料在服役状态下变形的微观损伤机制，为研究其失效机理，发现新现象，发展新概念、新理论和新应用提供直接的实验依据。

在微纳尺度对样品进行单轴拉伸或单轴压缩并对显微结构的演化进行原位研究是研究材料变形机制的有效方法之一。单轴变形时，试样受力均匀，试验结果解释容易，实验数据通用性强，因此在微纳尺度进行单轴拉伸或压缩试验是揭示材料变形机制的最有效实验方法之一。目前，商业化可置于扫描电镜的单轴拉伸台如：Gatan公司的Microtest200，其电机位移步进速度最小为500nm/s；MTI instruments公司的SEMTESTER100，其电机位移步进速度最小为400nm/s，最小样品尺寸为44.5mm×10mm。上述两公司的拉伸台可实现扫描电镜内原位力学性能测试与显微结构观察相结合的功能，但这些装置的步进位移较大，对于微纳尺寸的材料如纳米线等样品，可在瞬间拉断样品。韩晓东等被授权的题名为《单根纳米线原位力学性能测试和结构分析的方法及其装置》(专利申请号：CN200610057989.5)和《扫描电镜中纳米线原位拉伸装置及方法》(专利申请号：CN200610169839.3)的发明专利中提出了两种置于扫描电镜中拉伸/压缩微纳尺度样品的装置，两种装置很好的解决了商业化拉伸台位移步进大的难题，实现了微纳尺度样品的拉伸与原位观察的结合，但会在样品宽度方向附加一个额外的作用力，虽然该力较小，仅会引起样品微小的侧向位移，但仍不能提供准直的单轴力，因此它们是一种近似单轴拉伸的装置。

目前，基于透射电镜的力学测试装置，如：美国Gatan公司生产的654和671型样品杆以及美国Hysitron公司生产的PI 95型样品杆均可实现对微纳尺度样品的拉伸或压缩力学测试，但上述商业化力学测试样品杆由于采用压电驱动方式，无法实现双倾功能，限制了从原子尺度下原位研究材料微结构演变的过程。针对上述问题，韩晓东等被授权的提名为《应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置和方法》(专利申请号：CN200810240516.8)的发明专利中提出了基于双金属热驱动器的拉伸/压缩技术，实现了在透射电镜中施加面内加载和双轴倾转。但如前所述，该双金属驱动技术无法实现理想的单轴拉伸，另一方面双金属驱动器暂不能实现批量化生产，加之与透射电镜载网的装配可控性不足，影响了驱动力输出的可控性和精确性。