山东微电子纳米力学测试

纳米压痕试验举例，试验材料取单晶铝，试验在美国 MTS 公司生产的 Nano Indenter XP 型纳米硬度仪以及美国 Digital Instruments 公司生产的原子力显微镜 (AFM) 上进行。首先将试样放到纳米硬度仪上进行压痕试验，根据设置的较大载荷或者压痕深度的不同，试验时间从数十分钟到若干小时不等，中间过程不需人工干预。试验结束后，纳米压痕仪自动计算出试样的纳米硬度值和相关重要性能指标。本试验中对单晶铝(110) 面进行检测，设置压痕深度为1.5 μ m，共测量三点，较终结果取三点的平均值。纳米机器人研发中，力学性能测试至关重要，以确保其在复杂环境中的稳定性。山东微电子纳米力学测试

纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术（Depth-Sensing Indentation， DSI)，是较简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕理论，纳米压痕试验中典型的载荷-位移曲线。在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，而塑性变形较终使得样品表面形成了压痕。图中Pmax 为较大载荷，hmax 为较大位移，hf为卸载后的位移，S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H =P/A。式中，H 为硬度 (GPa)；P 为较大载荷 ( μ N)，即上文中的 P max ；A 为压痕面积的投影(nm2 )。 山东微电子纳米力学测试在医学领域，纳米力学测试可用于研究细胞和组织的力学性质。

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。

纳米科学与技术是近二十年来发展起来的一门前沿和交叉学科，纳米力学作为其中的一个分支，对其他分支学科如纳米材料学、物理学、生物医学等都有着重要的支撑作用。下面简要介绍一下目前应用较普遍的两类微纳米力学测试方法：纳米压痕方法和基于原子力显微镜的纳米力学测试方法。纳米压痕是20 世纪90 年代初期快速发展起来的一种微纳米力学测试方法，是研究微纳米尺度材料力学性能的重要方法之一，在科研和工业领域都有着普遍的应用。纳米压痕的压入深度在一般在纳米量级，远小于传统压痕的微米或毫米量级。限于光学显微镜的分辨率，无法直接对纳米压痕的尺寸进行精确测量。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。

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。纳米力学测试可以用于评估纳米材料的耐久性和寿命，为产品的设计和使用提供参考依据。山东微电子纳米力学测试

纳米力学测试可以揭示纳米材料在受力过程中的微观结构变化和能量耗散机制。山东微电子纳米力学测试

2005 年，中国科学院上海硅酸盐研究所的曾华荣研究员在国内率先单独开发出定频成像模式的AFAM，但不能测量模量。随后，同济大学、北京工业大学等单位也对这种成像模式进行了研究。2011 年初，我们研究组将双频共振追踪技术用于AFAM，实现了快速的纳米模量成像(一幅256×256 像素的图像只需1~2min)，并对其准确度和灵敏度进行了系统研究。较近几年，AFAM 引起了越来越多国内外学者的关注。然而，相对于其他AFM 模式，AFAM 的测量原理涉及梁振动力学和接触力学，初学者不容易掌握。山东微电子纳米力学测试