[发明专利]一种扫描电镜中凸出AFM探针在纳米线表面的压力传感方法

说明书

本发明涉及一种单根纳米线表面压力传感方法，尤其涉及一种在扫描电子显微镜中的凸出AFM探针在纳米线表面的压力传感方法，该方法可以为扫描电镜中利用凸出AFM探针对单根纳米线施加定量的压力提供依据。该压力传感方法由三个步骤组成：1)基于视觉追踪的AFM悬臂梁弯曲挠度计算，2)AFM刚度矫正，3)AFM转矩矫正。本发明提出的压力传感方法可以和凸出AFM具有可视化探针(俯视角度)的优点相结合，并有效应用于扫描电镜中的纳米材料操控和表征等领域，为向单根纳米线定量精确施加压力提供了实时的压力反馈。该传感方法计算过程简洁、高效、应用范围广，适用于不同尺寸的单根纳米线的表面压力传感。

技术领域

本发明涉及一种单根纳米线表面压力传感方法，尤其涉及一种在扫描电子显微镜中的凸出AFM探针在纳米线表面的压力传感方法。

背景技术

近年来，一维纳米线材料，由于优越的物化特性和高强度的机械特性，已被广泛应用于多个领域如高性能新材料、航空航天、微机电系统和新能源等。因此，如何通过实验方法精确表征纳米线先进的机械特性对上述的这些实际应用起着至关重要的作用。

迄今为止，已有多种实验技术应用于纳米线的原位机械特性表征。例如，使用原子力显微镜(AFM)对硅纳米线进行的弯曲测试和拉伸测试。相比于传统的纳米线实验表征技术，近年来新兴的基于扫描电子显微镜(SEM)的纳米操控技术可以对纳米线的机械特性原位表征提供更强大的支持。例如，在机械特性原位表征领域，AFM探针被嵌入SEM真空腔内对单根的硅纳米线进行原位拉伸测试，以表征纳米线杨氏模量和屈服应力等机械特性。同样，在扫描电镜中利用电致振动方法可以原位测量纳米线的弹性模量。

然而，如何在扫描电镜中利用纳米探针或AFM探针对纳米线施加精确量化的压力/应力仍是一个挑战，其中涉及纳米力学建模和控制等复杂问题，此外，由于SEM无法提供深度信息以及AFM探针针尖在俯视角度无法观察等问题，造成了探针-纳米线的有效接触检测的难题。近年来，一种新型结构的AFM探针，即凸出AFM探针逐渐被应用于纳米线的操控中，由于探针针尖凸出于AFM悬臂梁结构，因此在扫描电镜的俯视角度可以清晰观察到AFM探针针尖，这使得操控AFM与纳米线接触更加容易。但是目前仍确实有效的利用这种类型探针向单根纳米线表面施加压力并进行压力传感的方法。

发明内容

本发明的目的在于建立一种扫描电镜中凸出AFM探针在纳米线表面的压力传感方法，可以为扫描电镜中利用凸出AFM探针对单根纳米线施加定量的压力提供依据。该压力传感方法由三个步骤组成：1)基于视觉追踪的AFM悬臂梁弯曲挠度计算，2)AFM刚度矫正，3)AFM转矩矫正。本发明提出的压力传感方法可以和凸出AFM具有可视化探针(俯视角度)的优点相结合，并有效应用于扫描电镜中的纳米材料操控和表征等领域，为向单根纳米线定量精确施加压力提供了实时的压力反馈。该传感方法计算过程简洁、高效、应用范围广，适用于不同尺寸的单根纳米线的表面压力传感。

首先，凸出AFM探针的结构如图2所示，由于探针针尖凸出于悬臂梁，从俯视角度可以看到凸出的探针针尖，因此这种结构的AFM探针具有传统AFM探针(探针针尖在悬臂梁下方，从俯视角度无法看到)不具备的优势，比如应用于纳米操控等应用时，可以清晰观察到AFM探针针尖的位置，方便操控探针对纳米材料进行操作和接触。因此本发明中提出了一种在扫描电镜中利用凸出AFM探针在纳米线表面进行压力传感的方法。