重庆微电子纳米力学测试应用

纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科，纳米力学作为其中的一个分支，对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法：纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法，是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一，在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级，远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率，无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。在生物医学领域，纳米力学测试有助于了解细胞与纳米材料的相互作用机制。重庆微电子纳米力学测试应用

纳米测量技术是利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，这个技术已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。国外于1982年发明并使其发明者Binnig和Rohrer（美国）荣获1986年物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜（STM）。1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近10－18N的表面力，将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜，在空气中测量，达到横向精度3n m和垂直方向0．1n m的分辨率。California大学S．Alexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜初次获得了原子级分辨率的表面图像。北京纳米力学测试实验室纳米力学测试还可以评估材料在高温、低温等极端环境下的性能表现。

研究液相环境下的流体载荷对探针振动产生的影响可以将AFAM 定量化测试应用范围扩展至液相环境。液相环境下增加的流体质量载荷和流体阻尼使探针振动的共振频率和品质因子都较大程度上减小。Parlak 等采用简单的解析模型考虑流体质量载荷和流体阻尼效应，可以在液相环境下从探针的接触共振频率导出针尖样品的接触刚度值。Tung 等通过严格的理论推导，提出通过重构流体动力学函数的方法，将流体惯性载荷效应进行分离。此方法不需要预先知道探针的几何尺寸及材料特性，也不需要了解周围流体的力学性能。

扫描探针声学显微术一般适用于模量范围在1~300 GPa 的材料。对于更软的材料，在测试过程中接触力有可能会对样品造成损害。基于轻敲模式的原子力显微镜多频成像技术是近年来发展的一项纳米力学测试方法。通过同时激励和检测探针多个频率的响应或探针振动的两阶(或多阶) 模态或探针振动的基频和高次谐波成分等，可以实现对被测样品形貌、弹性等性质的快速测量。只要是涉及探针两个及两个以上频率成分的激励和检测，均可以归为多频成像技术。由于轻敲模式下针尖施加的作用力远小于接触状态下的作用力，因此基于轻敲模式的多频成像技术适合于软物质力学性能的测量。纳米力学测试助力新能源材料研发，提高能量转换效率。

即使源电阻大幅降低至1MW，对一个1mV的信号的测量也接近了理论极限，因此要使用一个普通的数字多用表（DMM）进行测量将变得十分困难。除了电压或电流灵敏度不够高之外，许多DMM在测量电压时的输入偏移电流很高，而相对于那些纳米技术[3]常常需要的、灵敏度更高的低电平DC测量仪器而言，DMM的输入电阻又过低。这些特点增加了测量的噪声，给电路带来不必要的干扰，从而造成测量的误差。系统搭建完毕后，必须对其性能进行校验，而且消除潜在的误差源。误差的来源可以包括电缆、连接线、探针[5]、沾污和热量。下面的章节中将对降低这些误差的一些途径进行探讨。纳米力学测试可以用于评估纳米材料的热力学性能，为纳米材料的应用提供参考依据。重庆微电子纳米力学测试应用

在医学领域，纳米力学测试可用于研究细胞和组织的力学性质。重庆微电子纳米力学测试应用

纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术（Depth-Sensing Indentation， DSI)，是较简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕理论，纳米压痕试验中典型的载荷-位移曲线。在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，而塑性变形较终使得样品表面形成了压痕。图中Pmax 为较大载荷，hmax 为较大位移，hf为卸载后的位移，S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H =P/A。式中，H 为硬度 (GPa)；P 为较大载荷 ( μ N)，即上文中的 P max ；A 为压痕面积的投影(nm2 )。 重庆微电子纳米力学测试应用