CN100511567C

CN100511567C - 一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片

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Publication number: CN100511567C
Application number: CNB2007101220920A
Authority: CN
Inventors: 韩晓东; 岳永海; 张跃飞; 张泽
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: CN101131908A

Abstract

一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片属于纳米材料性能原位检测领域。该载片包括中心金属片(1)、两个附耳(2)、狭缝(3)、扇形燕尾槽(4)、沿狭缝(3)对称分布的至少20个圆形栅孔(5)；分布于中心金属片(1)左右两侧且处于同一直径上的两个附耳(2)，包含附耳在内的整个金属片的直径在2.8-3mm之间；垂直于附耳(2)的直径、沿中心金属片(1)一侧开口的狭缝(3)，该狭缝(3)宽度为2-50μm，长为1.2-1.5mm；位于与狭缝(3)同一直径上且与狭缝(3)相对的、在中心金属片的另一侧开口的扇形燕尾槽(4)，扇形燕尾槽缺口半径为0.2-0.3mm，圆心角为30-45°。本发明结构简单，便于操作，可正带轴下实现对一维纳米材料的结构信息的把握，及的力学/电学综合性能测试。

Description

一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片

技术领域：

本发明涉及一种透射电子显微镜载片，首先利用扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜)对随机分布在载片上的单根纳米线进行固定，借助于外力对载片进行拉伸使分布在其上的样品(纳米线)发生拉伸或弯曲变形。同时可利用透射电子显微镜对变形前后的纳米线显微组织结构进行原位研究。此纳米线装置还可蒸镀电极，在扫描电镜中实现应变状态下一维纳米材料导电性质的变化研究。本发明提供了一种方便的纳米线变形机制研究方法，属于纳米材料力学的测试、研究方法。

背景技术：

近年来，由于纳米材料在磁、光、电等多领域呈现出常规材料所不具备的特殊性质，人们对于纳米材料的研究和关注热情空前高涨。然而，虽然人们在纳米材料的应用方面已经取得了很大的成就，但是对于纳米力学的基础研究却处于相对落后的状态，虽然我们已经有了分辨能力可以达到0.2nm的透射电子显微镜(以下简称透射电镜)，但是，由于受到样品台与极靴极为有限的空间限制(一般是1-3mm)，在原子尺度分辨率下对于单根纳米线或纳米薄膜的操纵和力学、电学性能的直接测量比较困难，只能观测到纳米线的静态组织结构，而很难在透射电镜中对样品进行操纵，实现应力状态下结构变化的原位检测。传统的用于透射电镜中支撑样品的一般为铜网、非晶碳支持膜或微栅，这些载网只能支撑样品而不能实现对样品的操纵，这样就无法利用透射电镜对处在应力状态下纳米材料的结构变化进行原位检测。随着微机电系统(MEMS，micro electromechanical system)和纳机电系统(NEMS，nanoelectromechanical system)的发展，对纳米材料在外力作用下力学性能的研究就显得尤为迫切。因此，能否找到一种简便有效的操纵纳米材料的仪器和方法就成了解决问题的关键。但是由于纳米材料结构细小、难于操纵，所以，从纳米尺度和原子层次揭示纳米材料在外力作用下的变形机制成为摆在研究人员面前的难题。文献中报道的在透射电镜中操纵纳米材料的方法有两种：

一种方法报道于《Proceedings of the National Academy of Sciences》2005年102卷第41期，其主要原理是利用表面显微机械加工技术制成一种原位的电子显微机械测试系统。这套系统包括一组激励器和一组负载应力传感器，在对样品的变形和断裂机制实施连续监测的同时，可以测出毫、微牛量级的负载应力。这套系统综合了基于微电子机械技术的电动机械原理和热机械原理，可以原位独立的测量单晶硅、金属纳米线、碳纳米管等材料的性能，同时实现了对碳纳米管的拉伸断裂机制原位适时的观测。但是，该方法由于将结构复杂的装置放入透射电镜中，受到透射电镜样品台的倾转角度的限制(一般只能单轴倾转或双轴倾转±5°)，不利于正带轴下对纳米材料进行原位观察，不能从根本上了解纳米材料的变形机制。

另一种方法报道与《Applied Physics Letters》2006年88卷133107页，其主要原理是利用压电陶瓷驱动的钨探针操纵碳纳米管，测试碳纳米管的场发射特性，得出了发射材料的尖端半径与其场发射特性有密切的关系，而碳纳米管的长度与其场发射特性关系不大的结论。但是由于受到样品台倾转角度的限制，不能从原子尺度解释其机制。

上述所有透射电子显微镜原位纳米材料性能测试中，样品操纵台或载网均不能实现大角度倾转，对于大部分需要在正带轴下观察在外力作用下结构变化的纳米材料，其应用受到限制。因此，找到一种简便有效的操纵纳米材料的仪器和方法，对于实现正带轴下观察外力作用下纳米材料的结构变化是至关重要的。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于透射电镜样品台可实现大角度倾转的纳米材料原位结构性能测试载片，此载片和目前常用的透射电镜铜网尺寸相当，固定在现有技术产品双倾透射电镜样品台上，不受样品驱动元件尺寸的限制，放入透射电子显微镜中可以实现大角度倾转(目前商业化双倾台可以达到±30°/±45°)，使样品能在正带轴下实现原子层次分辨的同时实现纳米材料的力学性质的测试。

一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片，其特征在于，该载片包括中心金属片1、两个附耳2、狭缝3、扇形燕尾槽4、沿狭缝3两侧对称分布的至少20个圆形栅孔5；

各部分的位置为：分布于中心金属片1左右两侧且处于同一直径上的两个附耳2，包含附耳在内的整个金属片的直径在2.8-3mm之间；垂直于附耳2的直径、沿中心金属片1一侧开口的狭缝3，该狭缝3宽度为2-50μm，长1.2-1.5mm；位于与狭缝3同一直径上且与狭缝3相对的、在中心金属片的另一侧开口的扇形燕尾槽4，所述的扇形燕尾槽缺口半径为0.2-0.3mm，圆心角为30-45°；以及位于狭缝两侧对称分布的40个圆形栅孔5，所述的圆形栅孔每个直径为50-120μm。

实现电学性能测量时，还包括在金属片正面的狭缝两侧蒸镀的绝缘层，绝缘层的厚度为0.05-0.3mm，在绝缘层上再蒸镀电极，蒸镀的电极厚度为0.05-0.3mm。

利用扫描电镜对分布在载片上的纳米线或纳米薄膜进行固定，再利用外力使载片发生变形，使分布在载网上的纳米线或纳米薄膜发生拉伸或压缩变形，借助于透射电镜观测纳米线或薄膜在外力作用下的结构信息和变形过程。

本发明有如下优点：

1.本发明解决了普通透射电镜载网无法对样品进行操作的缺点，并且可以利用透射电镜双倾样品台实现大角度倾转，在正带轴下观测纳米材料变形前后的力学性质。本发明提供了一种新的、简便的纳米线或薄膜的力、电性能测试方法。

2.本发明中的金属载片外形尺寸与现有技术载网基本一致，可以方便的装入高分辨透射电镜中，可以实现X，Y两个方向大角度倾转，在原位拉伸变形的同时从最佳的晶带轴实现高分辨成像。

3.本发明中的金属载片具有性能可靠、安装方便、结构简单、操作简便易行的特点，通过拉伸载片中间所开的狭缝实现了对纳米线或纳米薄膜的操作，进一步拓展了透射电镜的功能。

附图说明

图1力学性能测试载片示意图

图2压电陶瓷拉伸台上未经拉伸力学性能测试载片俯视示意图

图3压电陶瓷拉伸台上经过拉伸力学性能测试载片俯视示意图

图4电学性能测试载片示意图

图5压电陶瓷拉伸台上未经拉伸电学性能测试载片俯视示意图

图6压电陶瓷拉伸台上经过拉伸电学性能测试载片俯视示意图

其中，图面说明如下

1 中心金属片 2 附耳 3 狭缝 4 扇形燕尾槽 5 圆形栅孔 6 金属压片7 压电陶瓷拉伸台控制系统 8 滑动导轨 9 拉伸滑动台 10 固定台 11 金属电极镀层 12 电极焊点 13 电极引线 14 致密绝缘层

具体实施方式：

力学性能的测试实例：将一金属片加工成中心金属片1左右两侧各有一个用来施加应力的附耳2，中心金属片的直径为2mm，连同附耳在内的整个金属片的直径为2.9mm，垂直于附耳2的直径、沿中心金属片1一侧开开一条长为1.3mm，宽为20μm的狭缝3，此狭缝是为了消除因载片的横向变形引起的褶皱变形所设，褶皱变形影响透射电镜对样品的聚焦；在载片的另一侧做一个半径为0.3mm，圆心角35°的扇形燕尾槽4。在靠近狭缝3的附近位置开了40个圆形栅孔5，圆形栅孔的直径为100μm，圆形栅孔的作用是为了能在滴纳米线的时候使溶液更好的流过载片，从而顺利地将纳米线沉积在金属载片上。

将载片利用压电陶瓷拉伸台上的金属压片6固定在拉伸台装置上，通过压电陶瓷拉伸控制系统7使固定在压电陶瓷拉伸装置上拉伸滑动台9滑动导轨8上沿着远离固定台10的方向发生一定的滑动位移，带动拉伸台上的载片发生变形，变形量可以通过压电陶瓷控制系统7进行精确的控制。这样，两端分别固定在载片窄缝两侧的纳米线或纳米薄膜被拉伸变形，整个过程在扫描电镜进行实时观测，具体实施步骤如下所述：

1.将SiC纳米线通过超声震荡后滴在载片上放入透射电镜双倾样品台找到了感兴趣的区域，在[011]正带轴下观察了未发生形变前的SiC纳米线的微观结构。

2.将载片从透射电镜样品杆上取出，利用附耳将载片固定在压电陶瓷拉伸台上。

3.将固定好载片的拉伸台放入扫描电镜中，找到了在透射电镜中所记录过的一条长为40μm，直径为100nm的SiC纳米线，聚焦扫描电镜电子束将搭接在载片狭缝两边的SiC纳米线固定好，同时，利用扫描电镜中的微操纵机械手将周围多余的SiC纳米线拨掉，只留待研究的单根SiC纳米线。

4.在扫描电镜中控制压电陶瓷驱动器，将载片的狭缝拉伸开所需的位移，使固定在两端的SiC纳米线发生单向拉伸变形，利用扫描电镜的成像系统原位的记录了变形过程。

5.将变形后的载片从拉伸台上取下，放入双倾透射电镜样品台将样品倾转到SiC纳米线[011]正带轴下，通过透射电子显微镜的高分辨原子图像观察SiC纳米线变形后的晶格结构变化。

6.通过对变形前后纳米材料微观结构变化的高分辨图像的对比分析，在原子层次上揭示纳米材料在弹塑性变形的特点，变形的尺寸效应，变形过程中位错的产生，以及裂纹的扩展等反映材料力学性能的微观组织结构。

通过实施例，发现SiC纳米线发生了超过近5％的弹性和塑性应变，微观结构变化表明SiC在纳米尺度下表现出与大块体材料不同的变形方式。

电学性能的测试：在中心金属片1上蒸镀一层致密绝缘层14，绝缘层采用绝缘性能优良的Ti0₂涂层，厚度为0.1mm；再在此绝缘层的上部沿狭缝3蒸镀两片相互独立的电极，电极采用导电性优良的Au电极，厚度为0.1mm；将Au电极利用点焊机将电极焊点12利用电极引线13与拉伸台的外接电路相连形成所需回路。电学信号的测量实例如下所述：

1.将电学性能测试载片固定在拉伸台上，接好电路，将拉伸台放入扫描电镜中，利用扫描电镜的微操作机械手将一条长为30μm，直径300nm的ZnO纳米线搭接在狭缝两侧。

2.利用扫描电镜的聚焦电子束将搭接在金属片狭缝上的纳米线两端固定在狭缝的两侧。

3.利用外接电路对处在拉伸台上的载片两电极通电，电压从-5V以0.2Vde的步长升高到5V并记录了电流信号的变化。

4.控制压电陶瓷拉伸台将载片拉开一定的位移，再次利用外接电路对拉伸台上载片通电，同样电压从-5V以0.2V的步长升高到5V记录电压、电流信号的变化。

通过实施例，测得此ZnO纳米线的电阻为2.8MΩ，ZnO纳米线的I-V曲线没有表现出很好的线形，表现出与普通电阻材料不同的电学性质。

另外，以上所述的压电陶瓷拉伸台，还可以用热双金属片驱动的纳米拉伸台等其他拉伸装置替代，实现将金属载片拉伸以拉伸纳米材料的目的。

Claims

1、一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片，其特征在于，该载片包括中心金属片(1)、两个附耳(2)、狭缝(3)、扇形燕尾槽(4)、沿狭缝(3)对称分布的至少20个圆形栅孔(5)；

各部分的位置为：分布于中心金属片(1)左右两侧且处于同一直径上的两个附耳(2)，包含附耳在内的整个金属片的直径在2.8-3mm之间；垂直于附耳(2)的直径、沿中心金属片(1)一侧开口的狭缝(3)，该狭缝(3)宽度为2-50μm，长为1.2-1.5mm；位于与狭缝(3)同一直径上且与狭缝(3)相对的、在中心金属片的另一侧开口的扇形燕尾槽(4)，所述的扇形燕尾槽缺口半径为0.2-0.3mm，圆心角为30-45°；以及位于狭缝两侧对称分布的所述至少20个圆形栅孔为40个，所述的圆形栅孔直径为50-120μm。

2、根据权利要求1所述的一种纳米材料原位结构性能测试的透射电镜载片，其特征在于，实现电学性能测量时，还包括在金属片正面的狭缝两侧蒸镀的绝缘层，绝缘层的厚度为0.05-0.3mm，在绝缘层上再蒸镀电极，蒸镀的电极厚度为0.05-0.3mm。