CN216900618U - 一种原子力显微镜样品应力施加装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种原子力显微镜样品应力施加装置，包括固定底座、中轴柱和样品台，所述样品台中部和所述固定底座之间通过所述中轴柱连接，所述固定底座与原子力显微镜的测试台可拆卸连接；所述样品台远离中轴柱的表面为弧面，用以放置样品以使样品保持与样品台表面相同的曲率。该样品应力施加装置结构简单、施加应力的工艺和材料成本低廉，且可以直接集成到原子力显微镜内，操作方便，适用于对柔性衬底的薄膜样品进行应力状态下的微观表征。
Description
技术领域
本实用新型属于原子力测试技术领域，尤其涉及一种原子力显微镜样品应力施加装置。
背景技术
目前，在原子力显微镜测试中，受仪器设备限制，在测试中不能对薄膜样品施加应力，无法进行其在应力状态下的微观表征，极大的限制了应力工程在材料领域的进一步发展。
针对于无法在原子力测试中，无法对样品进行应力的施加的问题，现有技术中常见的做法是在样品薄膜材料的制作中，直接在薄膜材料底部额外增加如形状记忆合金、压电材料等衬底，利用记忆效应或者逆压电效应作为应力源，在外部激励下(如温度，电压)，形状记忆合金或压电材料制成的衬底发生形变，从而产生应力，应力向上传递给目标薄膜材料，从而获得稳定的应力源，再在原子力显微镜下进行测试。
这类薄膜样品应力施加方法普遍工艺复杂，且成本较高。以用磁控溅射制作多层膜体系为例，无论用压电材料还是形状记忆合金，都需要在高真空的情况下，用高能离子源去溅射靶材，必须在提供应力源的衬底上制作多层膜，工艺成本较高。同时，形状记忆合金与性能优异的的压电材料单价也较为昂贵，材料成本也较高，不适合广泛使用。
基于此，如果可以直接在原子力显微镜下对薄膜样品施加应力，就可以避免外加压电材料或形状记忆合金的引入，降低工艺要求与样品成本。
实用新型内容
本实用新型的目的在于一种原子力显微镜样品应力施加装置，旨在解决现有技术中对进行原子力测试的薄膜样品施加应力的方法工艺要求高且成本较高的技术问题。
本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种原子力显微镜样品应力施加装置，包括固定底座、中轴柱和样品台，所述样品台中部和所述固定底座之间通过所述中轴柱连接，所述固定底座与原子力显微镜的测试台可拆卸连接；所述样品台远离中轴柱的表面为弧面，用以放置样品以使样品保持与样品台表面相同的曲率。
相比现有技术，本实用新型的原子力显微镜样品应力施加装置，将原子力显微镜原本平坦的样品台改进为弯曲度可按需要灵活定制的弧面结构，在对薄膜样品进行测试时，可以根据需要施加的应力大小，选择不同曲率半径的样品台。测试时将薄膜样品紧贴固定在样品台表面，使薄膜样品与样品台表面保持相同的曲率，从而产生应力，即可直接进行微观表征，无需其他外部激励源来来保持应力状态。因此将本实用新型的原子力显微镜样品应力施加装置替换原子力显微镜原有的样品台，可以方便快捷地在应力状态下进行原子力显微镜下的微观性能测试。该装置结构简单、施加应力的工艺和材料成本低廉，且可以直接集成到原子力显微镜内，适用于对柔性衬底的薄膜样品进行应力状态下的微观表征。
在一实施例中，所述样品台与所述中轴柱之间可拆卸连接。将样品台与中轴柱之间可拆卸连接，可方便地替换不同曲率的样品台，以对样品施加不同大小的应力。
在一实施例中，所述样品台与所述中轴柱、所述中轴柱与所述底座均通过粘结剂固定连接。该连接方式使得样品台与中轴柱、底座连为一体结构，可以根据需要同时定制多个样品台曲率不同的原子力显微镜样品应力施加装置，测试时样品固定在样品台后，形成整体结构，通过将多个样品分别固定在不同曲率的样品台上，测试时根据施加应力的大小需要将不同的“样品-原子力显微镜样品应力施加装置”安装到原子力显微镜的测试台上即可。
进一步地，所述固定底座上开设有螺丝孔位，所述固定底座通过螺丝孔位与原子力显微镜的测试台螺纹连接。
进一步地，所述固定底座上至少设有对称的两个螺丝孔位。通常在固定底座两侧相对位置分别开设螺丝孔位，以使其能更为稳固地固定在原子力显微镜的测试台上。
进一步地，所述固定底座上对称设有至少两个凸台，所述凸台上开设有所述螺丝孔位。将螺丝孔位设置在凸台上，相比直接开设在平坦的底座表面会更加方便螺丝的安装固定。
在一实施例中，所述样品台远离中轴柱的表面为凹弧面。
在一实施例中，所述样品台远离中轴柱的表面为凸弧面。样品台可以是凹弧面也可以是凸弧面，根据需要选择不同的样品台曲率，以对样品施加不同的应力。
进一步地，所述中轴柱由铁磁材料制成。中轴柱材料选择可以传导磁场的铁磁材料，比如铁镍合金、金属铁等，可以传导原子力显微镜的MFM组件提供的可变磁场，从而适配原子力显微镜的磁力显微镜模式，即可在不影响其他原子力模式的测试同时兼容磁力显微镜模式。
进一步地，所述固定底座和所述样品台均由无磁性材料制成。样品台、固定底座及螺丝孔位均采用不具有磁性的材料，如塑料、金属铜、铝合金等，以免对磁力显微镜模式下测试产生干扰。
附图说明
图1为现有技术的原子力显微镜样品台的结构示意图；
图2为本实用新型一实施例的原子力显微镜样品应力施加装置的结构示意图；
图3为本实用新型另一实施例的原子力显微镜样品应力施加装置的结构示意图；
图4为本实用新型一实施例的原子力显微镜样品应力施加装置的工作状态示意图。
图1中，1-固定底座，2-可变磁场区，3-螺丝孔位，6-待测样品；
图2～4中：10-固定底座，11-螺丝孔位，12-凸台，20-中轴柱，30-样品台，60-薄膜样品，70-磁性探针。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1，其为现有技术的原子力显微镜样品台的结构示意图。现有的原子力显微镜的样品台包括固定底座1，固定底座1的中心设有一可变磁场区2，即为样品放置区，待测样品6放置在该可变磁场区2上，该可变磁场区2为磁性材料制成，可以传导原子力MFM 组件的提供的可变磁场，从而适配原子力显微镜的磁力显微镜模式。固定底座1上对称开设有螺丝孔位3，通过螺丝孔位3可将该样品台与原子力显微镜的测试台螺纹连接。正如背景技术提到的，在原子力显微镜测试中，受仪器设备限制，在测试中不能对薄膜样品施加应力，因此无法进行其在应力状态下的微观表征。
请参阅图2，本实施例提供了一种原子力显微镜样品应力施加装置，其包括固定底座 10、中轴柱20和样品台30；样品台30底部中心位置与中轴柱20一端连接，中轴柱20另一端与固定底座10的中心位置连接。该样品应力施加装置通过固定底座与原子力显微镜的测试台可拆卸连接。样品台30上表面即为样品放置区，其为弧面，将薄膜样品放置并紧贴固定在样品台30的上表面，即可使薄膜样品保持与样品台30上表面相同的曲率，从而被施加相应的应力。
具体的，样品台30的弯曲度可根据需要施加的应力大小灵活设置，即可以同时定制多个不同曲率的样品台30，从而根据需要施加的应力大小选择对应曲率的样品台对薄膜样品进行固定和测试。对薄膜样品施加的应力大小与样品台30上表面的曲率半径的关系如下式所示：
F＝ε×E＝[t/(2R)]×E
其中，F代表应力，ε为应变，E表示杨氏模量，t为薄膜样品的厚度，R为曲率半径。在具体测试中，样品台30上表面的弧面弯曲度可由其曲率半径直接表征，杨氏模量为材料的本征常数，由此可以利用不同曲率半径的样品台30，来施加不同大小的应力。
本实施例中，所述样品台30的上表面为凹弧面，而在另一实施例中，如图3所示，样品台30的上表面也可以是凸弧面，样品台具体的弧面结构和曲率均可根据测试需要进行调整和选择，从而对薄膜样品施加不同大小、不同类型的应力状态。本实施例中，样品台30 与中轴柱20连接的下表面也为弧面，在其他实施例中，样品台30下表面可以是平面，或其他方便加工成形的结构，均不影响样品台30的实际效果。
如图2所示，本实施例中，所述样品台30与所述中轴柱20、所述中轴柱20与所述底座10之间，均通过强力胶水等粘结剂固定连接。在其他实施例中，它们之间也可以采用如螺纹连接等方式可拆卸连接，实际应用时区别在于需要对薄膜样品施加不同应力时，是直接替换样品台曲率不同的整个样品应力施加装置，或者是仅替换不同曲率的样品台30。
进一步地，本实施例中，固定底座10上开设有螺丝孔位11，固定底座10通过螺丝孔位11与原子力显微镜的测试台螺纹连接。在其他实施例中也可以采用其他常见的可拆卸连接方式。优选的，本实施例中固定底座10上在两端相对位置均设有螺丝孔位11，从而确保固定底座10与原子力显微镜的测试台稳固连接。
为了安装和拆卸螺丝更为方便，本实施例中固定底座10上螺丝孔位11处还设有两凸台12，即将螺丝孔位11开设在凸台12上，这样相比平坦的固定底座10表面开设的螺丝孔位，凸台提供了一定的高度，安装、拆卸螺丝时，操作更为方便舒适。
优选地，为了适配原子力显微镜的磁力显微镜模式，本实施例中的中轴柱20采用可以传导磁场的铁磁材料制成，如铁镍合金、金属铁等。这样一来，中轴柱20与样品台30的接触面对应的样品台30上表面位置处，即形成了功能等同于图1中样品台的可变磁场区2，从而可以传导原子力MFM组件的提供的可变磁场，使该原子力显微镜样品应力施加装置在不影响其他原子力模式的测试时兼容磁力显微镜模式。
优选地，本实施例中的固定底座10、凸台12、螺丝孔位11和样品台30均采用无磁性材料制成，如塑料、金属铜、铝合金等，以免对磁力显微镜模式下测试产生干扰。
请参阅图4，采用本实施例的原子力显微镜样品应力施加装置通过以下步骤对柔性薄膜样品进行应力状态下原子力显微镜测试：
首先，将薄膜样品的衬底更换为柔性衬底，从性价比考虑可以选用常见的价格低廉的 PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)塑料衬底，PET在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能，可以反复弯折，同时表面平滑有光泽。虽然薄膜与PET基材的结合力会存在较差的问题，揉折后易产生真空或者裂痕，造成顶层薄膜脱落，但可以通过磁控溅射制备薄膜进行解决，即采用磁控溅射技术在PET衬底上直接制备薄膜，磁控溅射技术制备的薄膜材料结构致密、薄膜与衬底附着性高、膜层不易脱落。
接着，将待测薄膜样品60固定在弯曲的样品台30上表面，使薄膜样品与样品台30上表面保持相同的曲率，从而产生应力，即可直接进行微观表征，无需其他外部激励源来保持应力状态。如图4所示，原子力显微镜的磁性探针70直接在应力状态下的样品60表面进行扫描。
优选的，待测薄膜样品60底部可以通过双面胶与样品台30上表面紧贴固定，双面胶成本低廉、操作方便，只需将其先粘贴在样品台30上，再将薄膜样品60的PET衬底一面紧密粘贴在双面胶上即可。为了在磁力显微镜模式下测试，粘贴位置均居中，即对准中轴柱20投影位置。在其他实施例中也可选用其他粘贴材料，只需确保待测薄膜样品60紧贴在样品台30上表面并与其保持相同曲率即可。
相比现有技术，本实用新型的原子力显微镜样品应力施加装置将原子力显微镜原本平坦的样品台改进为弯曲度可按需要灵活定制的弧面结构，在对薄膜样品60进行测试时，可以根据需要施加的应力大小，选择不同曲率半径的样品台30。测试时将薄膜样品60紧贴固定在样品台30表面，使薄膜样品与样品台30表面保持相同的曲率，从而产生应力，即可直接进行微观表征，无需其他外部激励源来来保持应力状态。因此将本实用新型的原子力显微镜样品应力施加装置替换原子力显微镜原有的样品台，可以方便快捷地在应力状态下进行原子力显微镜下的微观性能测试。该样品应力施加装置结构简单、施加应力的工艺和材料成本低廉，且可以直接集成到原子力显微镜内，操作方便，适用于对柔性衬底的薄膜样品进行应力状态下的微观表征。
本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。
Claims (10)
1.一种原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，包括固定底座、中轴柱和样品台，所述样品台中部和所述固定底座之间通过所述中轴柱连接，所述固定底座与原子力显微镜的测试台可拆卸连接；所述样品台远离中轴柱的表面为弧面，用以放置样品以使样品保持与样品台表面相同的曲率。
2.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述样品台与所述中轴柱之间可拆卸连接。
3.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述样品台与所述中轴柱、所述中轴柱与所述底座均通过粘结剂固定连接。
4.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述固定底座上开设有螺丝孔位，所述固定底座通过螺丝孔位与原子力显微镜的测试台螺纹连接。
5.根据权利要求4所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述固定底座上至少设有对称的两个螺丝孔位。
6.根据权利要求5所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述固定底座上对称设有至少两个凸台，所述凸台上开设有所述螺丝孔位。
7.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述样品台远离中轴柱的表面为凹弧面。
8.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述样品台远离中轴柱的表面为凸弧面。
9.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述中轴柱由铁磁材料制成。
10.根据权利要求1所述的原子力显微镜样品应力施加装置，其特征在于，所述固定底座和所述样品台均由无磁性材料制成。
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| CN202123025837.6U CN216900618U (zh) | 2021-12-03 | 2021-12-03 | 一种原子力显微镜样品应力施加装置 |
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Cited By (1)
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| CN114113687A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-01 | 华南师范大学 | 一种原子力显微镜样品应力施加装置 |
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2021
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| CN114113687A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-03-01 | 华南师范大学 | 一种原子力显微镜样品应力施加装置 |
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