原位纳米力学测试方法

FT-NMT03纳米力学测试系统可以配合SEM/FIB原位精确直接地测量纳米纤维的力学特性。微力传感器加载微力，纳米力学测试结合高分辨位置编码器可以对纳米纤维进行拉伸、循环、蠕变、断裂等形变测试。力-形变（应力-应变）曲线可以定量的表征纳米纤维的材料特性。此外，纳米力学测试结合样品架电连接，可以定量表征电-机械性质。位置稳定性，纳米力学测试对于纳米纤维的精确拉伸测试，纳米力学测试系统的位移是测试不稳定性的主要来源。图2展示了FT-NMT03纳米力学测试系统位移的统计学评价，从中可以找到每一个测试间隔内位移导致的不确定性，例如100s内为450pm，意思是65%（或95%）的概率，纳米力学测试系统在100s的时间间隔内的位移稳定性小于±450pm（或±900pm）。纳米力学测试在材料设计和产品开发中发挥着重要作用，能够提供关键的力学性能参数。原位纳米力学测试方法

德国：T．Gddenhenrich等研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜。在PTB进行了一系列称为1nm级尺寸精度的计划项目，这些研究包括：①．提高直线和角度位移的计量；②．研究高分辨率检测与表面和微结构之间的物理相互作用，从而给出微形貌、形状和尺寸的测量。已完成亚纳米级的一维位移和微形貌的测量。中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法―珀干涉仪，其分辨率为0．3nm，测量范围±1．1μm，总不确定度优于3．5nm。中国计量学院朱若谷提出了一种能补偿环境影响、插入光纤传光介质的补偿式光纤双法布里―珀罗微位移测量系统，适合于纳米级微位移测量，可用于检定其它高精度位移传感器、几何量计量等。原位纳米力学测试方法纳米力学测试可以应用于纳米材料的力学模拟和仿真，加速纳米材料的研发和应用过程。

纵观纳米测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展：一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法；二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中较新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说，表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分，使其在设计和制造中存在许多的盲目性，现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外，由于纳米材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全表示其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，纳米尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。

AFAM 方法提出之后，不少研究者对方法的准确度和灵敏度方面进行了研究。Hurley 等分析了空气湿度对AFAM 定量化测量结果的影响。Rabe 等分析了探针基片对AFAM 定量化测量的影响。Hurley 等详细对比了AFAM 单点测试与纳米压痕以及声表面波谱方法的测试原理、空间分辨率、适用性及测试优缺点等。Stan 等提出一种双参考材料的方法，此方法不需要了解针尖的力学性能，可以在一定程度上提高测试的准确度。他们还提出了一种基于多峰接触的接触力学模型，在一定程度上可以提高测试的准确度。Turner 等通过严格的理论推导研究了探针不同阶弯曲振动和扭转振动模态的灵敏度问题。Muraoka提出一种在探针微悬臂末端附加集中质量的方法，以提高测试灵敏度。Rupp 等对AFAM测试过程中针尖样品之间的非线性相互作用进行了研究。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的疲劳行为，从而改进纳米材料的设计和制备工艺。

经过三十年的发展，目前科学家在AFM 基础上实现了多种测量和表征材料不同性能的应用模式。利用原子力显微镜，人们实现了对化学反应前后化学键变化的成像，研究了化学键的角对称性质以及分子的侧向刚度。Ternes 等测量了在材料表面移动单个原子所需要施加的作用力。各种不同的应用模式可以获得被测样品表面纳米尺度力、热、声、电、磁等各个方面的性能。基于AFM 的定量化纳米力学测试方法主要有力—距离曲线测试、扫描探针声学显微术和基于轻敲模式的动态多频技术。解决方案之一：采用新型纳米材料，提高力学性能，拓宽应用范围。重庆国产纳米力学测试实验室

纳米力学测试在生物医学领域，助力研究细胞力学行为，揭示疾病发生机制。原位纳米力学测试方法

较大压痕深度1.5 μ m时的试验结果，其中纳米硬度平均值为0.46GPa，而用传统硬度计算方法得到的硬度平均值为0.580GPa，这说明传统硬度计算方法在微纳米硬度测量时误差较大，其原因就是在微纳米硬度测量时，材料变形的弹性恢复造成残余压痕面积较小，传统方法使得计算结果产生了偏差，不能正确反映材料的硬度值。图片通过对不同载荷下的纳米硬度测量值进行比较发现，单晶铝的纳米硬度值并不是恒定的， 而是在一定范围内随着载荷（压头位移）的降低而逐渐增大，也就是存在压痕尺寸效应现象。图3反映了纳米硬度随压痕深度的变化。较大压痕深度1μm时单晶铝弹性模量与压痕深度的关系。此外，纳米硬度仪还可以输出接触刚、实时载荷等随压头位移的变化曲线，试验者可以从中获得丰富的信息。原位纳米力学测试方法