[发明专利]一种实时测量纳米材料光致伸缩性能的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料性能测试领域，特别涉及一种实时测量纳米材料 光致伸缩性能的方法。

背景技术

利用材料的光致伸缩性能，人们已经设计并制作出各种微结构光 机械器件。例如：利用光致伸缩性能制作光致动继电器、光致动步进 机、光致动声表面波器件和光跟踪传感器等。在这些器件的指标评价 体系中，准确测量材料的光致伸缩量具有十分重要的意义。传统意义 上测量材料光致伸缩的方法可分为两种：一种是位移传感测量方法， 如(Mechatronics 10(2000)467-487)中报道测量掺镧铁电陶瓷材 料光致应变的方法。由于不能对纳米材料精确定位，该方法仅适合测 量体材料，而无法用于测量纳米材料如纳米带、纳米线等结构的光致 应变。另一种是用原子力显微镜探针技术对纳米材料，实现纳米级精 度定位和原位压入，如科学杂志(Science 277(1997)1799-1803) 中报道了利用原子力显微镜探针技术测量硫化玻璃薄膜的光致伸缩。 但是，原子力显微镜是利用光传感探针技术进行探测的，它的固有激 光可能与入射光束发生相互作用，还可能对纳米材料产生影响，所以 用传统的原子力显微镜技术表征材料的光致性能时其测量结果可能 是不准确的。

目前，国内外利用电容传感探针原位压入保载方法测量纳米材料 的蠕变和塑性变形等常规力学性能的报道较多。例如：中国专利(专 利号200510124587.8)报道了采用三片电容板传感技术的纳米压痕 法测试金属薄膜室温压入蠕变性能；材料科学与工程(Materials Science and Engineering：A，449-451(2007)962-965)报道了用 纳米压痕法研究铈基金属玻璃塑性变形。但是，迄今为止，尚未见到 利用原位压入保载模式，在延长的保持载荷阶段改变光注入条件，测 量纳米材料的光致伸缩以及观察其可恢复性程度的报道。

由于高度微型化、高度集成化的需要，纳米材料的光致伸缩性能 在微纳机械系统中有着潜在的广泛应用前景。但是受到低尺度表征技 术的限制，纳米材料光致伸缩性能的测量是困难的。因此，亟待发展 一种测量纳米材料光致伸缩性能的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时测量纳米材料光致伸缩性能的方 法。

本发明的目的是通过如下方式实现的：一种实时测量纳米材料光 致伸缩性能的方法，包括以下步骤：

(1)采用三片电容板传感纳米探针技术对纳米材料定位和成像， 找到纳米材料光滑平整表面，确定纳米材料沿压入方向的厚度。

(2)将功率密度为0.2-0.8mW/cm²入射光束引入纳米探针装置， 光束入射到金刚石纳米探针与纳米材料相接触区域，对纳米材料实施 原位压入保载实验。在延长的保载时间阶段改变入射光束的波长和功 率密度，记录探针压痕位移-时间变化曲线。从该曲线上计算光照开始 和结束时的位移值之差，为纳米材料沿压入方向的光致变形量。

(3)纳米材料的光致变形量与其厚度的百分比为光致伸缩应变， 该光致伸缩应变即为纳米材料的光致伸缩性能。

纳米材料包括量子点、纳米带、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米 环和纳米薄膜。

入射光束波长是通过滤波片调制的。

光束经压电传感器的双平面镜窗口反射后，入射到金刚石纳米探 针与纳米材料相接触区域。

纳米探针可为维氏或努氏探针。

纳米探针原位压入保载阶段，保载时间为10-100s。

本发明具有如下的有益效果，它可解决测试纳米材料在光辐照下 光致伸缩性能的技术难题。该方法简单易行，避免了传统的原子力显 微镜技术中固有激光的影响，能够准确可靠地测量纳米材料的光致伸 缩性能。

附图说明

图1是本发明入射光束连接三片电容板传感纳米探针装置示意 图；

图2是本发明实施例1中氧化锌单个纳米带形貌图；

图3是本发明实施例1中在无光照下，利用原位压入保载方法获得 单个氧化锌纳米带的压痕载荷-时间曲线；

图4是本发明实施例1中在控制白光束“开”15秒与“关”15秒 交替变化下，利用原位压入保载方法获得单个氧化锌纳米带的压痕载 荷-时间曲线；