福建半导体纳米力学测试技术

微纳米材料研究中用到的一些现代测试技术：电子显微法，电子显微技术是以电子显微镜为研究手段来分析材料的一种技术。电子显微镜拥有高于光学显微镜的分辨率，可以放大几十倍到几十万倍的范围，在实验研究中具有不可替代的意义，推动了众多领域研究的进程。电子显微技术的光源为电子束，通过磁场聚焦成像或者静电场的分析技术才达成高分辨率的效果、利用电子显微镜可以得到聚焦清晰的图像， 有利于研究人员对于实验结果进行观察分析。纳米力学测试可以帮助研究人员了解纳米材料的变形和断裂机制，为纳米材料的设计和优化提供指导。福建半导体纳米力学测试技术

中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等提出了一种通过测量双法布里一boluo干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对云母、光栅、光盘等样品的观测证明该仪器达到原子分辨率，较大扫描范围可达7μm×7μm。浙江大学卓永模等研制成功双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该系统具有0．1nm的纵向分辨率及小于2μm的横向分辨率。江西涂层纳米力学测试应用借助纳米力学测试，可以评估材料在微观尺度下的耐磨性和耐蚀性。

本文中主要对当今几种主要材料纳观力学与纳米材料力学特性测试方法:纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等进行概述。纳米硬度技术。随着现代材料表面工程、微电子、集成微光机电 系统、生物和医学材料的发展试样本身或表面改性层厚度越来越小。传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，于是纳米硬度技术应运而生。纳米硬度计是纳米硬度测量的主要仪器，它是一种检测材料微小体积内力学性能的测试仪器，包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式。由于压痕或划痕深度一般控制在微米甚至纳米尺度，因此该类仪器已成为电子薄膜、涂层、材料表面及其改性的力学性能检测的理想手段。它不需要将表层从基体上剥离，便可直接给出材料表层力学性质的空间分布。

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。在进行纳米力学测试前，需要对测试样品进行表面处理和尺寸测量，以确保测试结果的准确性。

与传统硬度计算不同的是，A 值不是由压痕照片得到，而是根据 “接触深度” hc(nm) 计算得到的。具体关系式需通过试验来确定，根据压头形状的不同，一般采用多项式拟合的方法，比如针对三角锥形压头，其拟合结果为：A = 24.5 + 793hc + 4238+ 332+ 0.059+0.069+ 8.68+ 35.4+ 36. 9式中 “接触深度”hc由下式计算得出：hc = h - ε P max/S，式中，ε是与压头形状有关的常数，对于球形或三角锥形压头可以取ε = 0.75。而S的值可以通过对载荷-位移曲线的卸载部分进行拟合，再对拟合函数求导得出，即，式中Q 为拟合函数。这样通过试验得到载荷-位移曲线，测量和计算试验过程中的载荷 P、压痕深度h和卸载曲线初期的斜率S，就可以得到样品的硬度值。该技术通过记录连续的载荷-位移、加卸载曲线，可以获得材料的硬度、弹性模量、屈服应力等指标，它克服了传统压痕测量只适用于较大尺寸试样以及只能获得材料的塑性性质等缺陷，同时也提高了硬度的检测精度，使得边加载边测量成为可能，为检测过程的自动化和数字化创造了条件。纳米力学测试还可以评估材料在高温、低温等极端环境下的性能表现。陕西材料科学纳米力学测试

纳米力学测试可以应用于纳米材料的研究和开发，以及纳米器件的设计和制造。福建半导体纳米力学测试技术

纳米压痕法：纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能 的先进技术。其原理是在加载过程中 试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。通过分析加卸载曲线可以得到材料的硬度和弹性模量等参量。纳米压痕法不只可以测量材料的硬度和弹性模量，还可以根据压头压缩过程中脆性材料产生的裂纹估算材料的断裂韧性，根据材料的位移压力曲线与时间的相关性获悉材料的蠕变特性。除此之外，纳米压痕法还用于纳米膜厚度、微结构，如微梁的刚度与挠度等的测量。福建半导体纳米力学测试技术