[实用新型]扫描电镜中纳米线原位拉伸装置

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种在扫描电子显微镜中原位拉伸纳米线的装置，利用扫描电子显微镜可以实时观测纳米线拉伸变形过程中的结构变化，揭示纳米线在拉伸载荷下的变形机制，脆韧转变方式，属于纳米材料力学性能原位测量领域。

背景技术：

随着纳米技术的发展和纳米器件的开发，纳米线是纳米器件的基本单元，纳米线不仅具有良好的电、磁、光等性质，还要要求在器件中承载机械载荷，传递力，执行运动等。纳米线在外力作用下的力学响应方式和失效形式，例如脆性断裂或韧性断裂，最大断裂应变量，必将影响器件的可靠性，因此研究单根纳米线在外力作用下的力学响应和服役行为，积累纳米线的力学性能数据，是当前设计和开发纳米器件的基本材料准则。目前单根纳米线力学性能原位测试的主要方法有，在透射电子显微镜和扫描电子显微镜中的原位高频电场激励共振方法，原位弯曲法，拉伸法等。其中拉伸是最为直接的力学性能测试手段，扫描电子显微镜由于操作方便，样品室空间较大，是研究纳米材料结构和性能的有力工具，但是由于纳米材料结构细小，难于操纵，在扫描电子显微镜中如何对单根纳米线样品进行固定和单轴拉伸变形，原位揭示纳米线的力学性能和变形机制是当前纳米力学研究的难题。目前由于受到实验手段的限制，对于单根纳米线/管的拉伸变形直接测量非常困难，其中已经有文献报道了对于一维碳纳米管在单轴拉伸应力作用下的力学性能的实验测量方法。

这种方法报道于《Science》2000年287卷637-640页，是将两套原子力显微镜(AFM)探针安装于扫描电子显微镜(SEM)中，在SEM中通过原位化学气相沉积将吸附在AFM针尖上的碳纳米管固定，调整AFM探针垂直相对，通过施加载荷移动其中的一个AFM探针拉伸单根碳纳米管并在SEM下原位观察，根据受到的拉力的大小和伸长的程度，计算得到单根多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的拉伸强度，并可直接观测纳米管的断裂过程。该方法集成了几种精密设备同时工作，控制和操作系统复杂，需要较高的实验技术才能得到可靠的实验数据，不利于普及推广。同时由于AFM针尖较细，纳米线在针尖上的固定比较困难，对于较粗的纳米线或强度较大的纳米线这种方法难于适用。

实用新型内容：

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种安装在扫描电子显微镜中的纳米线拉伸变形装置，利用扫描电子显微镜原位实时记录纳米线在拉伸作用下弹塑性变形过程及断裂失效的方式，不同直径和材质的纳米线的最大断裂应变量，将纳米线的断裂力学性能与微观结构变化直接对应起来，从纳米尺度上揭示一维纳米线的力学性能。

为了实现上面的目的，本实用新型中扫描电子显微镜中单根纳米线原位拉伸装置和方法，其特征在于：包括底座1和固定在底座上的加热器2，加热器2上面固定带有凹槽的支架3，支架上的两个凹槽里面利用紧固螺钉9分别固定两个双金属片7，双金属片7分别与一对滑块5连接。导轨4固定在底座1上面，导轨4与支架3平行，与双金属片7垂直。一对滑块5设置在导轨4上面，两滑块5上面分别设置一对水平位置可调节的样品台6，在室温时调节两样品台之间的缝隙在几微米之间，保证较长的纳米线能横跨在两样品台之间。

支架3和双金属片7上面加可以起到保温作用的顶盖8。通过加热器2加热支架3，传导到双金属片7上的热量使双金属片7发生弯曲变形，双金属片驱动滑块5沿着导轨4向两侧直线运动，固定在滑块上面的样品台6会拉伸固定在样品台两端的纳米线，使纳米线发生双向拉伸变形，利用扫描电子显微镜成像系统同时依次记录纳米线的变形过程和微区的结构和形貌变化。

本实用新型也可以使用一个双金属片7，使一个滑块运动，另一个滑块固定不动，实现对纳米线的单向拉伸变形。

进一步地，所述的双金属片为线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起，当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片向线膨胀系数小的一侧弯曲变形。本实用新型中双金属片的安装保证在受热时向导轨的两侧运动，双金属片受热后驱动滑块运动，固定在滑块上的样品台实现对纳米线的拉伸变形。本实用新型中，为了保证在较低温度下实现较大的的弯曲变形，推荐使用比弯曲大于10/10^-6·℃^-1的双金属片

进一步地，本实用新型所述的加热器为电阻加热器，包括直流可控电源，以及温度指示器，加热器的线性升温范围0-350℃，可以根据设定的应变速率，调整加热器的升温速率。