深圳半导体纳米力学测试方法

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。纳米力学测试对于理解纳米材料在极端条件下的力学行为具有重要意义，如高温、高压等。深圳半导体纳米力学测试方法

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。工业纳米力学测试模块纳米力学测试的发展促进了纳米材料及其应用领域的快速发展和创新。

纳米压痕技术，纳米压痕技术是一种直接测量材料硬度和弹性模量的方法。该方法通过在纳米尺度下施加一个小的压痕负荷，通过测量压痕的深度和形状来推算材料的力学性质。纳米压痕技术一般使用压痕仪进行测试。在进行纳米压痕测试时，样品通常需要进行前处理，例如制备平整的表面或进行退火处理。测试过程中，将顶端负载在材料表面上，并控制负载的大小和施加时间。然后，通过测量压痕的深度和直径来计算材料的硬度和弹性模量。纳米压痕技术普遍应用于纳米硬度测试、薄膜力学性质研究等领域。

AFAM 方法较早是由德国佛罗恩霍夫无损检测研究所Rabe 等在1994 年提出的。1996 年Rabe 等详细分析了探针自由状态以及针尖与样品表面接触情况下微悬臂的动力学特性，建立了针尖与样品接触时共振频率与接触刚度之间的定量化关系。之后，他们还给出了考虑针尖与样品侧向接触、针尖高度及微悬臂倾角影响的微悬臂振动特征方程。他们在这方面的主要工作奠定了AFAM 定量化测试的理论基础。Reinstaedtler 等利用光学干涉法对探针悬臂梁的振动模态进行了测量。Turner 等采用解析方法和数值方法对比了针尖样品之间分别存在线性和非线性相互作用时，点质量模型和Euler-Bernoulli 梁模型描述悬臂梁动态特性的异同。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。

对纳米元器件的电测量——电压、电阻和电流——都带来了一些特有的困难，而且本身容易产生误差。研发涉及量子水平上的材料与元器件，这也给人们的电学测量工作带来了种种限制。在任何测量中，灵敏度的理论极限是由电路中的电阻所产生的噪声来决定的。电压噪声[1]与电阻的方根、带宽和一定温度成正比。高的源电阻限制了电压测量的理论灵敏度[2]。虽然完全可能在源电阻抗为1W的情况下对1mV的信号进行测量，但在一个太欧姆的信号源上测量同样的1mV的信号是现实的。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。重庆国产纳米力学测试实验室

测试内容丰富多样，包括硬度、弹性模量、摩擦系数等，助力材料研究。深圳半导体纳米力学测试方法

Berkovich压头是纳米压痕硬度计中较常用的。它可以加工得很尖，而且几何形状在很小尺度内保持自相似，适合于小尺度的压痕实验。目前，该类压头的加工水平：端部半径50nm，典型值约40nm，中心线和面的夹角精度为J=0.025°。在纳米压痕硬度测量中，Berkovich压头是一种理想的压头。优点包括：易获得好的加工质量，很小载荷就能产生塑性，能减小摩擦的影响。Cube-corner压头因其三个面相互垂直，像立方体的一个角，故取此名称。压头越尖，就会在接触区内产生理想的应力和应变。目前，该种压头主要用于断裂韧性(fracture toughness)的研究。它能在脆性材料的压痕周围产生很小的规则裂纹，这样的裂纹能在相当小的范围内用来估计断裂韧性。锥形压头圆锥具有尖的自相似几何形状，从模型角度常利用它的轴对称特性，纳米压痕硬度的许多模型均基于圆锥压痕。由于难以加工出尖的圆锥金刚石压头，它在小尺度实验中很少使用。深圳半导体纳米力学测试方法