[发明专利]一种用于微纳材料多场联合表征的应变加载系统

说明书

本发明公开了一种用于微纳材料多场联合表征的应变加载系统，样品台由弹簧螺丝固定于基体最上端，压电陶瓷、压电陶瓷固定于基体底部上端，加载台黏在金属托凹槽内，金属托由金属托螺丝固定于样品台右侧凹槽上，电极压片固定于样品台上端，电极压片与加载台上的电极紧密接触形成优良的电学接触，压头固定于金属托凹槽内，金属托固定于压电陶瓷顶面。本发明的多种表征设备中的微纳材料应变加载，电学测量系统具有结构简单，性能可靠，安装简便，便于操作，应用范围广的特点，可以适用于长度大于5微米的所有一维或二维纳米材料，可与多种光学显微镜、电子显微镜、光谱仪和同步辐射等仪器联用，进行多场耦合测试。

技术领域

本发明涉及微纳材料弹性应变研究领域，涉及一种应用于微纳材料多场(力、电、热，光等)联合表征的单轴应变产生的方法和装置，具体涉及一种基于微电子机械系统(MEMS)技术和机械加工技术的用于微纳材料多场表征的应变加载系统。

背景技术

世界著名的材料力学界学者John J.Gilman在他所著的书：《Electronic Basisof the Strength of Materials》(剑桥大学出版社，2008)中解释了材料的理论强度(在该应力下原子间的键将自发地断裂或切换)和剧烈的电子结构变化(如半导体带隙的闭合)之间的密切关系。因为几乎材料的所有物理和化学性能都取决于电子结构，而电子结构在原子键自发断裂前一定会发生剧烈的改变，因此与无应力状态相比，当所施加的应变接近理论应变的时候，材料本身应该具有非同寻常的甚或是奇异的物理化学性质。大量的实验和理论工作已经证明，弹性应变可以使材料的很多性能得到优化，甚至发生根本性改变。微纳材料的一个显著特点是其强度的尺寸效应，当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，其所能承受的弹性应变往往是其块体母材的50-100倍，即学术界常说的“越小越强”。为此，在大弹性应变范围内研究一维和二维微纳材料结构、电学、光学等性质(既实现多场耦合测试)具有极为重要的科学意义和巨大的潜在经济效应。

然而，由于一维和二维微纳材料与传统宏观材料相比物理尺寸极小，传统的力学加载方式在一维微纳材料的研究上不再有效。目前对于一维和二维微纳材料多场耦合测试手段大致可以分为以下三种。

第一，以原子力显微镜或扫描隧道显微镜为基本手段的测试方法。该方法具有高的位移和力分辨率，人们利用AFM实现了对纳米材料应变加载(Towards Self-PoweredNanosystems:From Nanogenerators to Nanopiezotronics,Z.L.Wang,AdvancedFunctional Materials,18,2008)并实现了对其电学性质的监测。但是该方法不能原位监测纳米线变形过程中的结构变化，而且由于设备测试空间的局限，不易于与其他表征设备(例如光谱仪，同步辐射等)联用，难以实现对微纳材料的更多性质的耦合测试。