广州微电子纳米力学测试技术

原位纳米力学测试系统是一种用于材料科学领域的仪器，于2011年10月27日启用。压痕测试单元：（1）可实现70nN~30mN不同加载载荷，载荷分辨率为3nN；（2）位移分辨率：0.006nm，较小位移：0.2nm，较大位移：5um；（3）室温热漂移：0.05nm/s；（4）更换压头时间：60s。能够实现薄膜或其他金属或非金属材料的压痕、划痕、摩擦磨损、微弯曲、高温测试及微弯曲、NanoDMA、模量成像等功能。力学测试芯片大小只为几平方毫米，亦可放置在电子显微镜真空腔中进行原位实时检测。利用纳米力学测试，可以评估纳米材料的可靠性和耐久性。广州微电子纳米力学测试技术

目前纳米压痕在科研界和工业界都得到了普遍的应用，但是它仍然存在一些难以克服的缺点，比如纳米压痕实际上是对材料有损的测试，尤其是对于薄膜来说；其压针的曲率半径一般在50 nm 以上，由于分辨率的限制，不能对更小尺度的纳米结构进行测试；纳米压痕的扫描功能不强，扫描速度相对较慢，无法捕捉材料在外场作用下动态性能的变化。基于AFM 的纳米力学测试方法是另一类被普遍应用的测试方法。1986 年，Binnig 等发明了头一台原子力显微镜(AFM)。AFM 克服了之前扫描隧道显微镜(STM) 只能对导电样品或半导体样品进行成像的限制，可以实现对绝缘体材料表面原子尺度的成像，具有更普遍的应用范围。AFM 利用探针作为传感器对样品表面进行测试，不只可以获得样品表面的形貌信息，还可以实现对材料微区物理、化学、力学等性质的定量化测试。目前，AFM 普遍应用于物理学、化学、材料学、生物医学、微电子等众多领域。广州微电子纳米力学测试技术纳米力学测试技术的发展推动了纳米材料和纳米器件的性能优化。

采用磁力显微镜观察Sm2Co17基永磁材料表面的波纹磁畴和条状磁畴结构;使用摩擦力显微镜对计算机磁盘表面的摩擦特性进行试:利用静电力显微镜测量技术,依靠轻敲模式(Tapping mode)和抬举模式(Lift mode),用相位成像测量有机高分子膜-壳聚糖膜(CHI)的表面电荷密度空间分布等等除此之外,近年来,SPM还用于测量化学键、纳米碳管的强度,以及纳米碳管操纵力方面的测量。利用透射电子显微镜和原子力显微镜原位加载,观测单一纳米粒子链的力学属性和纳观断裂,采用扫描电镜、原子力显微镜对纳米碳管的拉伸过程及拉伸强度进行测等:基于原子力显微镜提出一种纳米级操纵力的同步测量方法,进而应用该方法,成功测量出操纵、切割碳纳米管的侧向力信息等。这些SFM技术为研究纳米粒子/分子、基体与操纵工具之间的相互作用提供较直接的原始力学信息和实验结果。

特点：能同时实现SEM/FIB高分辨成像和纳米力学性能测试，力学测量范围0.5nN-200mN(9个数量级)，位移测量范围0.05nm-21mm(9个数量级)，五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)闭环控制保证样品和微力传感探针的精确对准，能在SEM/FIB较佳工作距离下实现高分辨成像(可达4mm)以及FIB切割和沉积，五轴(X,Y,Z,旋转,倾斜)位移记录器实现样品台上多样品的自动测试和扫描，导电的微力传感探针可有效减少荷电效应，能够通过力和位移两种控制模式实现各种力学测试,例如拉伸、压缩、弯曲、剪切、循环和断裂测试等，电性能测试模块能够实现力学和电学性能同步测试(样品座配备6个电极)导电的微力传感探针可有效减少荷电效应，实现力学性能测试与其他SEM/FIB原位分析手段联用,如EDX、EBSD、离子束沉积和切割，兼容于SEM本身的样品台,安装和卸载快捷方便。纳米力学测试的结果可以为纳米材料的安全性和可靠性评估提供重要依据。

扫描探针声学显微术一般适用于模量范围在1~300 GPa 的材料。对于更软的材料，在测试过程中接触力有可能会对样品造成损害。基于轻敲模式的原子力显微镜多频成像技术是近年来发展的一项纳米力学测试方法。通过同时激励和检测探针多个频率的响应或探针振动的两阶(或多阶) 模态或探针振动的基频和高次谐波成分等，可以实现对被测样品形貌、弹性等性质的快速测量。只要是涉及探针两个及两个以上频率成分的激励和检测，均可以归为多频成像技术。由于轻敲模式下针尖施加的作用力远小于接触状态下的作用力，因此基于轻敲模式的多频成像技术适合于软物质力学性能的测量。发展高精度、高稳定性纳米力学测试设备，是当前科研工作的重要任务。广西工业纳米力学测试系统

利用纳米力学测试，研究人员可揭示材料内部缺陷、应力分布等关键信息。广州微电子纳米力学测试技术

电子/离子束云纹法和电镜扫描云纹法，利用电子/离子東抗蚀剂制作出10000线/mm的电子/离子東云纹光栅,这种光栅的应用频率范围为40~20000线/mm,栅线的较小宽度可达到几十纳米。电镜扫描条纹的倍增技术用于单晶材料纳米级变形测量。其原理是:在测量中,单晶材料的晶格结构由透射电镜(TEM)采集并记录在感光胶片上作为试件栅,以几何光栅为参考栅,较终通过透射电镜放大倍数与试件栅的频率关系对上述两栅的干涉云纹进行分析,即可获得单晶材料表面微小的应变场。STM/晶格光栅云纹法，隧道显微镜(STM)纳米云纹法是测量表面位移的新技术。测量中,把扫描隧道显微镜的探针扫描线作为参考栅,把物质原子晶格栅结构作为试件栅,然后对这两组栅线干涉形成的云纹进行纳米级变形测量。运用该方法对高定向裂解石墨的纳米级变形应变进行测试,得到随扫描范围变化的应变场。广州微电子纳米力学测试技术