透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸納米線、二維層狀薄膜裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在透射電子顯微鏡中原位原子尺度研宄納米線、二維層狀薄膜在單軸拉伸過(guò)程中的力學(xué)性能的裝置及拉伸方法。本發(fā)明屬于納米材料顯微結(jié)構(gòu)原位表征儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米器件的發(fā)展和微機(jī)械系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，單根納米線和二維薄膜在外力作用下力學(xué)性能的研宄顯得尤為重要。由于納米材料的結(jié)構(gòu)細(xì)小，使得透射電子顯微鏡(以下稱透射電鏡)成為研宄納米材料的重要工具。然而透射電鏡的極靴很小，一般在幾毫米左右，想要在如此狹小的空間內(nèi)對(duì)納米材料進(jìn)行固定并施加應(yīng)力，并且原位地觀察到納米材料的原子尺度變形機(jī)制非常困難。
[0003]北京工業(yè)大學(xué)韓曉東課題組自2006年開(kāi)始發(fā)展了一系列基于碳支撐膜和熱雙金屬的變形裝置(專利號(hào):200910086803.2，ZL200610057989.5，ZL200610144031.X，ZL200710122092.0，200810056836.8，ZL200820078706.X，200810103494.0 等)，使納米材料在拉伸、彎曲、壓縮變形條件下可以被原位地捕捉到原子尺寸的變形機(jī)制(Nano Letters7，452-457，2007 ；Advanced Materials 19，2112-2118，2007 ；Nature Communicat1ns1，24:1-8, 2010 ;Nano Lettersl3, 3812-3816，2013)0
[0004]其中基于碳支撐膜的變形技術(shù)，其工作原理是將納米線隨機(jī)分布在有碳支撐膜的金屬載網(wǎng)上(碳膜預(yù)先被劃破)，一部分納米線剛好分布在碳膜的裂縫處。當(dāng)樣品在透射電鏡中受到電子的輻射時(shí)，碳膜破裂的位置會(huì)發(fā)生卷曲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線的拉伸或彎曲變形。由于納米線隨機(jī)地分布在碳膜上，納米線的拉伸方向和拉伸速度很難控制，成功率低。另外，納米線與碳膜之間靠范德華力連接，這就要求納米線的直徑為30nm?80nm，長(zhǎng)徑比大于100。因此，基于碳支撐膜的變形技術(shù)適用范圍有限(較長(zhǎng)和直徑較小的納米線難以制備)。
[0005]對(duì)于基于熱雙金屬片的變形裝置，其工作原理是通過(guò)透射電鏡加熱樣品桿加熱，由于雙金屬的熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致其膨脹量不同，在加熱時(shí)為了協(xié)調(diào)這種差異，雙金屬會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。兩片雙金屬對(duì)稱排列，一端固定在外徑為3_的金屬環(huán)上，另一端固定納米材料，受熱后兩片雙金屬的自由端向不同方向彎曲，從而向材料施加拉伸或壓縮應(yīng)力。該裝置可用于從大塊材料上經(jīng)過(guò)納米加工制備而成的一維納米線和二維納米薄膜材料的拉伸實(shí)驗(yàn)，但是由于樣品的制備條件苛刻，一維納米線的制備周期長(zhǎng)，出現(xiàn)差錯(cuò)的幾率大；而對(duì)于薄膜材料，適合通過(guò)磁控濺射方法制備的薄膜材料，對(duì)具有層狀結(jié)構(gòu)的單層或多層薄膜材料(如石墨烯，層狀二硫化鉬等)基本不能實(shí)現(xiàn)它們的變形機(jī)制的研宄。而且，由于技術(shù)的局限性，粘在金屬環(huán)上的兩個(gè)雙金屬片間距較大(20 μ m以上)，使得搭載的納米材料懸空較多，拉伸過(guò)程中容易抖動(dòng)，從而很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定拉伸和原子尺度的觀察。
[0006]此外，美國(guó)Hysitron公司開(kāi)發(fā)出一種商業(yè)的用于納米線拉伸的PTP裝置(US8434370B2)。操作原理是推壓PTP裝置的突出部分，通過(guò)裝置四周的四個(gè)彈簧將壓縮轉(zhuǎn)化成拉伸。這種裝置的缺點(diǎn)是利用率低，不可重復(fù)利用，并且需要配合專門的樣品桿使用，價(jià)格昂貴，成本非常高。
[0007]因此發(fā)展一種既能拉伸納米線和二維層狀薄膜又能控制拉伸方向，且對(duì)樣品要求不高的普適裝置，仍是本領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種透射電鏡中原位雙傾單軸裝置及拉伸納米線、二維層狀薄膜的方法。該裝置主要由熱雙金屬片和載網(wǎng)組合而成，可以用于在透射電鏡中實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線和二維層狀薄膜原位單軸拉伸，同時(shí)還不損失透射電鏡的大角度雙軸傾轉(zhuǎn)功能。該裝置可應(yīng)用于原子尺度下納米線和二維層狀薄膜力學(xué)性能-顯微結(jié)構(gòu)一體化的研宄。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過(guò)如下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0010]透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸裝置，其特征在于，它包括支撐部分、驅(qū)動(dòng)部分和載網(wǎng)三部分；支撐部分(I)為金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)的內(nèi)側(cè)設(shè)有一水平支撐臺(tái)；驅(qū)動(dòng)部分(2)為兩片平行且有間距的雙金屬片，雙金屬片是由非磁性的、熱膨脹系數(shù)不同的兩片金屬通過(guò)焊壓貼合在一起形成的，兩片雙金屬片的厚度相等，呈對(duì)稱排列，內(nèi)側(cè)相對(duì)的兩金屬是熱膨脹系數(shù)相對(duì)較大的，外側(cè)相對(duì)的兩金屬是熱膨脹系數(shù)相對(duì)較小的，兩片雙金屬片的其中一端均垂直固定在金屬環(huán)(I)內(nèi)側(cè)的支撐臺(tái)上，另一端為自由端，載網(wǎng)(3)為具有延展性、帶孔的金屬網(wǎng)，固定在驅(qū)動(dòng)部分(2)的自由端，載網(wǎng)(3)與驅(qū)動(dòng)部分(2)平行。
[0011]所述的支撐部分外徑優(yōu)選為3mm，內(nèi)徑為2mm，金屬圓環(huán)與環(huán)內(nèi)側(cè)的支撐臺(tái)構(gòu)成馬蹄狀，“馬蹄臺(tái)”用于固定雙金屬片的一端，金屬環(huán)的材質(zhì)為銅、鉬或其它導(dǎo)熱的金屬或合金，厚度在25 μ m?30 μ m之間。
[0012]熱雙金屬片一端固定在金屬環(huán)上，另一端可自由移動(dòng)；優(yōu)選驅(qū)動(dòng)部分的熱雙金屬片自由端長(zhǎng)度大于1000 μm，兩熱雙金屬片的間距100 μπι?200 μπι，呈對(duì)稱排列，兩金屬的熱膨脹系數(shù)相差越大越明顯，如銅和鈦，熱膨脹系數(shù)大的金屬在內(nèi)側(cè)，熱膨脹系數(shù)小的金屬在外側(cè)，該裝置受熱時(shí)，兩片雙金屬片分別向外側(cè)彎曲，變形位移如小于I μπι(變形位移可根據(jù)熱膨脹系數(shù)差異、溫度等條件的任何條件進(jìn)行調(diào)節(jié))，可以將材料的變形近似等同于單軸拉伸變形。載網(wǎng)(3)固定在熱雙金屬片可自由移動(dòng)的一端，所述的載網(wǎng)(3)通過(guò)濕法腐蝕技術(shù)制備。當(dāng)熱雙金屬片各自向外側(cè)彎曲時(shí)，拉伸載網(wǎng)(3)，進(jìn)而拉伸載網(wǎng)上搭載的納米線/薄膜。
[0013]前面所述的載網(wǎng)(3)優(yōu)選總長(zhǎng)度為400 μ m，寬80 μ m，孔徑2 μ m，所用材質(zhì)為延展性好的金屬(如鋁)，通過(guò)濕法腐蝕技術(shù)制備而成。利用磁控濺射的方法在已經(jīng)設(shè)計(jì)好圖形的硅片上噴鍍500nm厚的鋁膜，浸泡在丙酮中，溶解光刻膠即可得到鋁制載網(wǎng)。
[0014]采用上述裝置拉伸納米線的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0015](I)、將納米線放入與其不反應(yīng)的有機(jī)溶劑中(例如乙醇)，利用超聲波振動(dòng)分散(10?30分鐘，根據(jù)納米線的團(tuán)簇程度而定)成懸浮液，將懸浮液滴在透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸裝置的表面上；
[0016](2)、室溫中充分干燥后，利用聚焦離子束掃描電鏡檢查載網(wǎng)3表面的納米線的分布情況，選擇徑向平行于拉伸方向并且搭在孔洞上的納米線，在納米線的兩端用鉑氣體沉積使其固定；
[0017](3)、將搭載納米線的透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸裝置裝入透射電鏡中的加熱樣品桿上，控制加熱臺(tái)溫度，使兩片雙金屬片受熱分別向兩邊彎曲，從而拉伸載網(wǎng)，并帶動(dòng)納米線拉伸，通過(guò)在透射電鏡中測(cè)量納米線的長(zhǎng)度變化來(lái)測(cè)量位移和應(yīng)變。
[0018]采用上述裝置拉伸二維層狀薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0019](1)、將二維層狀薄膜(例如石墨烯)轉(zhuǎn)移到透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸裝置的表面上，在室溫中充分干燥，二維層狀薄膜材料可以是利用化學(xué)氣相沉積等法制備的；
[0020](2)、將搭載二維層狀薄膜的透射電鏡中原位雙傾單軸拉伸裝置裝入加熱樣品桿，控制加熱臺(tái)溫度，使兩片雙金屬片受熱分別向兩邊彎曲，從而拉伸載網(wǎng)，并帶動(dòng)二維層狀薄膜拉伸。薄膜與載網(wǎng)通過(guò)范德華力結(jié)合便可以很好的實(shí)現(xiàn)拉伸，無(wú)需額外處理。
[0021]該裝置與透射電鏡加熱樣品桿相匹配，可以實(shí)現(xiàn)在高分辨透射電鏡中對(duì)所搭載的單原子層薄膜材料進(jìn)行拉伸，同時(shí)，還可以在原子尺度下觀察材料塑性變