CN103884585B - 一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置 - Google Patents

Abstract

一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置，利用该装置并结合透射电镜的显微结构分析实现对纳米材料变形过程中的显微结构演化进行原位动态记录，属于纳米材料力学性能‑显微结构一体化原位表征领域。该拉伸装置包括驱动装置、支撑装置和拉‑压力转换装置组成。拉伸装置的驱动力由记忆合金弹簧提供，支撑装置为金属环，拉‑压力转换装置通过微细加工技术得到，将记忆弹簧对转换装置施加的压力转换为对样品的拉伸力。对材料在特定温度范围内的面内加载可以通过调控记忆合金马氏体相变的开始温度和结束温度。该拉伸装置不会影响透射电镜样品杆的双轴倾转功能，可实现原子尺度下对变形过程中的显微结构演化进行原位动态的观察。

Description

一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置

技术领域：

本发明涉及一种工作温度可调、在透射电镜中工作，基于形状记忆效应的变形装置。该装置与透射电镜加热杆相匹配，可以对纳米线/薄膜施加面内应力，通过控制温度实现样品的可控变形；在高分辨透射电镜中、双轴倾转条件下实现原子尺度材料力学性能-显微结构一体化研究。本发明属于纳米材料显微结构原位表征仪器设备领域。

背景技术：

纳米技术理论研究和纳米材料开发应用研究近年来得到了快速的发展，并且在传统材料、医疗器材、电子设备、涂料等行业得到了广泛的应用，在实际中创造了巨大的价值。纳米材料是微纳器件的基本结构单元，其力学性能的稳定性决定了微纳器件应用的稳定性。透射电子显微镜（以下简称透射电镜）是现代化的大型分析仪器，可以在原子尺度对材料的显微结构进行精确表征，在材料学、物理、化学、生物学，特别是纳米材料领域，有着广泛的应用。材料的物理、化学、力学性能在很大程度上取决于材料中位错运动的动力学、晶界的迁移、析出相的长大、化学成分的演变等，而这些显微结构必须在原子尺度上进行研究。透射电镜样品杆是透射电镜的重要附件之一，用来支撑待检测样品；样品杆与极靴之间的空隙非常小，一般在几毫米左右（取决于透射电镜的生产厂家、型号）；在如此小的间隙实现对样品杆进行改造，实现应力加载功能并进行材料力学性能和显微结构演化的一体化表征非常困难。

国际上多家公司在该方面投入了大量的人力、物力和财力进行研发，目前已有的商业化样品杆有Gatan公司的654型拉伸样品杆，Hystron公司的PI95透射电镜专用纳米压痕仪等，可以实现在透射电镜中拉伸或压 缩纳米材料。在原子尺度对材料的显微结构进行研究要求透射电镜样品杆及样品能绕α轴和β轴进行倾转。而目前这些商业化样品杆只能实现绕α轴上的单轴倾转。对于低指数取向的样品，绕α轴进行单轴倾转，有一定几率获得材料的原子像（Physical Review Letters102,045503,2009），但是对于高指数取向的样品，利用单轴倾转样品则只能在纳米尺度进行研究，不能精确反映材料的微观机制。

为了解决现有的技术难题，北京工业大学韩晓东教授发展了一系列独特的技术，实现了同时在透射电镜中施加面内加载和双轴倾转，如：基于碳支持膜（AdvancedMaterials19,2112-2118,2007；200820124520.3；201210546691.6）和基于双金属的热驱动变形技术（Advanced Functional Materials17,3435-3440,2007；Nano Letters13,3812-3816,2013；200610144031.X；200610057989.5；200920108973.1；201110169007.2）。

其中基于双金属的热驱动变形技术，其工作原理是在加热时，由于双金属的热膨胀系数不同导致其产生弯曲变形，从而实现拉伸纳米材料的目的。这种热双金属变形装置尺寸的非常小，与透射电镜样品杆前段的样品载台（Φ=3mm）相匹配，不会影响样品杆的双轴倾转，解决了面内加载和双轴倾转不能同时实现的技术难题。

双金属片的长度（>1000μm）与样品变形位移（<1μm）的比值非常大，可以将材料的变形近似等同于单轴拉伸变形。将样品搭载在双金属片上，在向透射电镜转移过程中，遇到温度变化则双金属片有可能将样品拉断。为了解决该问题，北京工业大学韩晓东教授课题组通过一种特殊设计的装置、将目标温度和室温之间温度差所产生的位移预留出的方法实现了特定温度下的变形（201220320134.8）。该技术的实现需对样品变形过程中的位移进行精确计算，并且由于预留的位移非常小，其对加工精度的要求非常高。

因此发展一种当温度超过某一阈值后才开始变形的装置，且具有加工简单、不影响透射电镜样品杆双轴倾转的特点，仍是本领域亟待发 展的装置、方法之一。该技术可以有效解决样品从制备间到透射电镜转移过程中被拉断的现象。同时，该技术的发展同样适用于研究材料在特定温度下的变形机制。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过控制加热温度实现驱动力受控输出，并可在透射电镜双轴倾转条件下单轴拉伸变形材料的装置。该装置可应用于纳米材料在特定温度范围内、在原子尺度下的力学性能-显微结构一体化研究。

该拉伸台尺寸与透射电镜载网尺寸一致（Φ=3mm），配合透射电镜双倾热杆，在电镜中可实现大角度双轴倾转（±20°-±70°，取决于透射电镜型号和样品杆型号）。通过透射电镜配备的CCD图像采集系统，能够实施获得不同应变、低正带轴条件下的清晰原子像。

一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置，其特征在于：该装置由驱动装置、支撑装置和拉-压力转换装置组成；驱动装置为记忆合金弹簧，以下简称弹簧；该弹簧一端固定在金属环上，另一端与拉-压力转换装置粘结；支撑装置为金属环；拉-压力转换装置包括悬臂梁、第一拉伸梁、第一载物台、第二载物台、第二拉伸梁、支撑梁，悬臂梁一侧设有凸出的接触点，通过该接触点与弹簧的一端粘结，悬臂梁一侧是第一拉伸梁，第一拉伸梁顶端是第一载物台，第一载物台与第二载物台成中心对称分布，第二载物台通过第二拉伸梁连接支撑梁，支撑梁与悬臂梁平行设置在刚性环中，两者之间设有第一拉伸梁、第一载物台、第二载物台和第二拉伸梁；弹簧和刚性环固定于金属环上。

进一步，所述弹簧，其材质为Ni-Ti、Cu-Zn-Al或Fe-Mn-Si，厚度在50-100μm之间。

进一步，所述的金属环材质为铜、钼或合金，厚度在25-30μm之间。

进一步，所述的拉-压力转换装置，其材质为金属、合金或陶瓷；厚度在50-100μm之间。

进一步，拉-压力转换装置通过刻蚀技术或半导体工艺加工制得。

一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置，其特征在于拉伸台包括支撑环部分、驱动部分、拉-压转换部分，所述的支撑部分是金属环1；驱动部分是记忆合金弹簧2（以下简称为弹簧），该弹簧2一端固定在金属环1上，另一端与拉-压转换装置连接，可通过马氏体相变或逆相变实现自由伸缩；拉-压转换部分是通过精密刻蚀技术或半导体工艺在刚性较好的金属片（如：钼）上制得的装置3，该拉-压转换装置3通过导电AB胶粘贴在金属环1平面上端，与金属环1平行放置。拉-压转换装置3依次包括悬臂梁4、接触点5、第一拉伸梁6、第一载物台7、第二载物台8、第二拉伸梁9、支撑梁10。悬臂梁4一侧1/3位置处为凸出的接触点5，与弹簧2的一端通过导电AB胶粘结，是弹簧2受力部位，与接触点5关于悬臂梁4对称位置的是第一拉伸梁6，拉伸梁6顶端是第一载物台7，与其成中心对称分布的是第二载物台8和第二拉伸梁9，第二拉伸梁9连接的是支撑梁10，支撑梁10与钼环3两端直接连接。第一、第二载物台7、8要保持绝对的水平，保证单轴水平拉伸，然后将拉伸台置于扫描电镜中，用聚焦离子束精确制备样品，并将其粘贴在载物台7、8上，用于透射电镜研究。

当该样品台放在透射电镜中加热时，随着温度的升高，达到记忆合金的马氏体相变点时（AS点），记忆合金开始相变，弹簧2开始伸长，弹簧2的一端顶触接触点5，使其移动，接触点5通过悬臂梁4传动第一拉伸梁6移动，拉伸梁带动两个载物台8、9拉伸，此时开始对样品进行拉伸变形。

同时，材料的变形速率可以通过控制加热速率，进一步控制马氏体相变速率和弹簧的变形速率进行调节。配合透射电镜CCD成像系统，可以原位记录样品在变形过程中的显微结构演化规律，从纳米尺度和原子尺度揭示材料的变形机理。

前面所述的金属环1，整体几何结构为外径为3mm的圆形，内径为2mm，内侧几何结构为马蹄状，“马蹄台”处用于固定记忆合金弹簧。金属环的材质为导电、导热、热膨胀系数较小的金属，如铬、钛、钨、锆、钼等等，金属环的厚度在25-30μm之间。

前面所述的驱动装置为记忆合金弹簧（具体材质如NiTi合金，但不限于），有2-3个螺距，自由长度1.2mm，同时可对记忆合金弹簧进行训练，使其伸长长度在0.4-1mm范围内可调；降温时，记忆合金弹簧发生逆马氏体所产生的变形可以恢复；弹簧未拉伸处于自由长度时，其横向宽度1.2mm，受热变形伸长后，其横向宽度变为0.8-1.2mm；其中可根据所拉伸材料变形范围的要求（如要求在特定温度范围内拉伸或要求特定的变形量等）调整Ni、Ti元素含量，改变As、Af温度，以满足拉伸材料应变所需的温度范围。同时利用NiTi合金在升、降温过程中的正向和逆向马氏体相变行为，可以控制弹簧伸长、压缩，实现对材料的循环拉伸变形。

前面所述的拉伸承载装置是通过精密刻蚀技术或半导体工艺制备的承载拉伸样的刚性样品环，其底端开口宽1.2mm，环形宽0.15mm；悬臂梁4宽0.1mm；接触点5长0.05mm，宽出悬臂梁0.05mm，拉伸梁6长0.3mm，宽0.15mm；拉伸梁9长0.25mm，宽0.15mm；载物台7、载物台8长0.15mm，宽0.1mm；第一载物台7与第二载物台8、第一载物台7与第二拉伸梁9、载物台8与拉伸梁6之间的距离均为0.1mm，支撑梁宽0.1mm。该环的厚度在50-100μm，选择导电、导热性好、热膨胀系数低的刚性金属材料，以减少由于热膨胀和拉伸时样品环变形所引起的漂移。

本发明的一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置的原位动态过程的测试通过如下步骤实施完成：

1、首先将记忆合金弹簧驱动装置、拉-压转换装置粘贴固定在金属环上，把透射电镜微型样品粘贴在载物台上，用聚焦离子束（Focused Ion Beam，以下简称FIB）对样品进行微加工，制备宽度约为1μm，厚度 为50nm的透射电镜拉伸样品。将装载样品的拉伸装置放入透射电镜加热杆中。

2、双轴倾转样品杆至样品的正带轴下，然后通过加热杆对样品台进行加热，当加热到弹簧的马氏体相变点时，弹簧开始伸长，并驱动拉伸梁，从而拉伸样品。

3、通过高分辨透射电子显微镜的实时记录拉伸过程中原子尺度的结构演变。

本发明有如下优点：

本发明所用的驱动装置为记忆合金弹簧，可以实现在定温度下开始工作的优点，有效的避免了样品在制备和转移过程中被拉断的现象；

该驱动装置的工作温度可以通过调节Ni和Ti的成分比例进行控制，可以将该透射电镜单轴拉伸装置的应用拓展到研究纳米材料在定温度、在原子尺度下的拉伸变形行为并揭示其机制；

该透射电镜单轴拉伸装置可以实现单轴拉伸的功能，并且不影响透射电镜的双轴倾转功能。

本发明的尺寸和通常所用载网尺寸相当（Φ=3mm），可以方便的装入各种型号的透射电镜中。

本发明的驱动装置所采用的NiTi记忆合金弹簧具有形状记忆性和较大的可恢复变形，当升温至马氏体相变点可以实现拉伸材料，当降温至马氏体逆相变点可以卸载施加在样品上的力，从而实现对样品循环伸缩的功能，适应于在原子尺度原位动态的研究材料的低周疲劳性。

本发明主要用于纳米材料的力学实验，包括各种金属、半导 体纳米线、纳米薄膜的力学性能-显微结构一体化研究，研究对象丰富、应用范围广阔。

附图说明

图1原位TEM拉伸台的俯视图

图2 Nb/NiTi纳米复合材料原位拉伸示意组图

附图标号如下：

1、金属环 2、记忆合金弹簧 3、刚性样品环 4、悬臂梁

5、接触点 6、第一拉伸梁 7、第一载物台 8、第二载物台 9、第

二拉伸梁 10、支撑梁 11、马蹄台

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做具体描述说明：

一种研究纳米材料在可控温度范围内的力学性能的原位TEM循环拉伸台，其特征在于拉伸台包括支撑环部分、驱动部分、拉伸承载部分，所述的支撑部分是金属环1，其内侧几何结构为马蹄状，“马蹄台”处为固定搭载弹簧2；驱动部分是NiTi记忆合金弹簧2，记忆合金弹簧2一端固定在金属环1上，另一端与接触点5通过导电AB胶粘结，可随温度变化自由伸缩；拉伸承载部分是通过精密刻蚀技术或半导体工艺制备的承载拉伸样的刚性样品环3，该样品环3通过AB胶粘贴在金属环1平面上端，与金属环1平行放置。刚性样品环3依次包括悬臂梁4、接触点5、第一拉伸梁6、第二载物台7、第一载物台8、第二拉伸梁9、支撑梁10；垂直悬臂梁4的中线位置一侧为凸出的接触点5，与弹簧2的一端通过导电AB胶粘结，是弹簧2接触受力部位，与接触点5关于悬臂梁4对称位置的是第一拉伸梁6，拉伸梁6顶端是第一载物台7，其可沿轴向受力移动，与其成中心对称分布的是第二载物台8和第二拉伸梁9，第二拉伸梁9连接的是支 撑梁10，支撑梁10与钼环3两端直接连接。第一、第二载物台8、9要保持绝对的水平，保证单轴水平拉伸，然后将拉伸台至于扫描系统中，用FIB精制粘贴在载物台7、8上的样品。当该样品台放在透射电镜中加热时，随着温度的升高，达到NiTi记忆合金的相变点时（AS点），NiTi开始相变，弹簧2开始伸长，弹簧2开始顶触接触点5，使其移动，接触点5通过悬臂梁4传动拉伸梁6移动，拉伸梁带动两个载物台8、9拉伸，两者之间的距离开始变大，此时开始对样品进行拉伸变形。同时，可调的加热速度可以控制NiTi弹簧的伸长速率，进而控制样品的变形速率。然后配合透射电镜CCD成像系统，原位记录样品的变形过程与结构信息，从纳米尺度和原子尺度解释材料的变形机理。

图2是纳米复合材料利用该拉伸台在40-60oC温度范围内进行的原位拉伸实验，a-c为系列拉伸图片，a图是原始未拉伸状态的图，b图是拉伸过程中马氏体形核的图（图中灰黑色板条状），附图是对应的马氏体衍射斑，c图是完全形成马氏体的图（图中灰黑色板条状），附图是对应的马氏体衍射斑。由此看出，该拉伸台可以在原位拉伸，并得到较好的结果。

Claims (1)

1.一种透射电镜用基于形状记忆效应的原位单轴拉伸变形装置，其特征在于：该装置由驱动装置、支撑装置和拉-压力转换装置组成；驱动装置为记忆合金弹簧，以下简称弹簧；该弹簧一端固定在金属环上，另一端与拉-压力转换装置粘结；支撑装置为金属环；拉-压力转换装置包括悬臂梁、第一拉伸梁、第一载物台、第二载物台、第二拉伸梁、支撑梁，悬臂梁一侧设有凸出的接触点，通过该接触点与弹簧的一端粘结，悬臂梁一侧是第一拉伸梁，第一拉伸梁顶端是第一载物台，第一载物台与第二载物台成中心对称分布，第二载物台通过第二拉伸梁连接支撑梁，支撑梁与悬臂梁平行设置在刚性环中，两者之间设有第一拉伸梁、第一载物台、第二载物台和第二拉伸梁；弹簧和刚性环固定于金属环上；

所述弹簧，其材质为Ni-Ti、Cu-Zn-Al或Fe-Mn-Si，厚度在50-100μm之间；所述的金属环材质为铜、钼或合金，厚度在25-30μm之间；所述的拉-压力转换装置，其材质为金属、合金或陶瓷；厚度在50-100μm之间；拉-压力转换装置通过刻蚀技术或半导体工艺加工制得；所述的金属环，整体几何结构为外径为3mm的圆形，内径为2mm，内侧几何结构为马蹄状，形成“马蹄台”，用于固定记忆合金弹簧；所述的记忆合金弹簧，有2-3个螺距，自由长度1.2mm，同时对记忆合金弹簧进行训练，使其伸长长度在0.4-1mm范围内能调；降温时，记忆合金弹簧发生逆马氏体所产生的变形能够恢复；弹簧未拉伸处于自由长度时，其横向宽度1.2mm，受热变形伸长后，其横向宽度变为0.8-1.2mm；

其中，所述第一、第二载物台要保持绝对的水平，保证单轴水平拉伸，然后将该原位单轴拉伸变形装置置于扫描电镜中，用聚焦离子束精确制备样品，并将其粘贴在第一、第二载物上；当该原位单轴拉伸变形装置放在透射电镜中加热时，随着温度的升高，达到记忆合金的马氏体相变点时，记忆合金开始相变，弹簧开始伸长，弹簧的一端顶触接触点，使其移动，接触点通过悬臂梁传动第一拉伸梁移动，第一拉伸梁带动两个载物台拉伸，此时开始对样品进行拉伸变形；同时，样品材料的变形速率能够通过控制加热速率，进一步控制马氏体相变速率和弹簧的变形速率进行调节。