一种纳米材料力学性能原位测试系统技术方案

本实用新型专利技术提供了一种纳米材料力学性能原位测试系统，包括扫描电子显微镜，扫描探针测试单元，控制单元以及计算机；扫描探针测试单元包括底座，设于底座上表面一侧的调节台，设于底座上表面另一侧的测量机构；扫描电子显微镜包括电镜极靴，调节台上设有样品台，X轴调节装置、Y轴调节装置，Z轴调节装置；测量机构包括激光光路调节装置，设于底座上的探针基座，以及设于探针基座上的探针，探针位于电镜极靴下方，激光光路调节装置用于准直和聚焦激光。本实用新型专利技术真正意义上实现了扫描电子显微镜原位观察测试过程中扫描探针与样品的作用过程以及外场物理力学作用下样品微结构的演变过程，并将系列事件的微观图像和力学性能测试数据传输到计算机的功能。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及微观结构性能检测设备
，特别是涉及一种纳米材料力学性能原位测试系统。
技术介绍
在纳米科学技术的进步和不断发展过程中，两类科学仪器起了重要的推动作用，一类是以电子束作为探针的电子显微镜，代表的有透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)；另一类是以固体针尖作为探针的扫描探针显微镜(SPM)，代表性的有扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。但是随着微纳米器件的快速发展、以及在尺度上向纳米极限的逼近，如何表征微纳米尺度材料、结构和器件在外场(如器件工作过程中电场、热场以及诱导的应力场)作用下的性质、性能以及变化趋势成为纳米科学
的研究前沿和热点，以寻求在新材料、新技术、新工艺方面的进一步突破。要实现对纳米材料、结构和器件在外场作用下的物理性能以及显微结构相关性的测量和表征，需要同时实现可靠固定、施加外场作用、以及显微观察的三位一体的测量。目前的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等微观分析和测试仪器在纳米材料的结构、形貌、成分以及力学、电学等性能测试方面发挥了重要作用，成为目前人们探究纳米材料各种物理性能的主要方法。然而，这些仪器仅能对纳米材料进行单一方面的测量，不能够满足对样品进行同时操纵和测量，以及原位、动态观察的功能，难以实现可靠固定、施加外场作用、以及显微观察三位一体的测量。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种能够实现可靠固定、施加外力作用以及显微观察三位一体的测量纳米力学性能的原位测试系统。本技术结合扫描电子显微镜和扫描探针显微技术发展的最新方法和技术，设计了能够安装在扫描电 子显微镜样品室中的扫描探针测试单元，在扫描电子显微镜样品室内发展基于扫描探针测试功能的纳米材料力学性能原位测试方法。为实现上述目的，本技术提供了一种纳米材料力学性能原位测试系统，包括扫描电子显微镜，设于所述扫描电子显微镜的样品室内部的扫描探针测试单元，与所述扫描电子显微镜和所述扫描探针测试单元相连接的控制单元，以及与所述控制单元连接的计算机；所述扫描探针测试单元包括底座，设于所述底座上表面一侧的调节台，设于所述底座上表面另一侧的测量机构；所述扫描电子显微镜包括电镜极靴，所述调节台上设有样品台，能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动的X轴调节装置、能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动的Y轴调节装置，以及能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底座上表面的方向移动的Z轴调节装置；X轴平行于所述调节台长度方向且平行于所述底座上表面，Y轴垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座的上表面，Z轴垂直于调节台长度方向且平行于所述底座上表面，所述样品台表面位于所述X轴与所述Y轴构成的平面内；所述测量机构包括激光光路调节装置，设于底座上的探针基座，以及设于所述探针基座上的探针，所述探针位于所述电镜极靴下方，所述激光光路调节装置用于准直和聚焦激光。可选的，所述X轴调节装置包括固定于所述调节台上表面的X轴下导轨，设于所述X轴下导轨上的X轴上导轨，所述X轴上导轨设有X轴直线电机，所述X轴直线电机的一端与所述X轴下导轨相连接，所述X轴直线电机与所述控制单元相连接。可选的，所述Y轴调节装置包括固定于所述X轴上导轨上表面的Y轴下导轨，设于所述Y轴下导轨上的Y轴上导轨，所述Y轴上导轨设有Y轴直线电机，所述Y轴直线电机的一端与所述Y轴下导轨连接，所述Y轴直线电机与所述控制单元相连接。可选的，所述Z轴调节装置包括固定于所述Y轴上导轨上表面的Z轴下导轨，设于所述Z轴下导轨上的Z轴上导轨，所述Z轴下导轨设有Z轴直线电机，所述Z轴直线电机的一端与所述Z轴上导轨连接，所述Z轴直线电机 与控制单元相连接。可选的，所述调节台与样品台之间设有X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷，所述X轴压电陶瓷用于所述样品台沿X轴向的位移微调，所述Y轴压电陶瓷用于所述样品台沿Y轴向的位移微调，所述Z轴压电陶瓷用于所述样品台沿Z轴向的位移微调，所述X轴压电陶瓷、Y轴压电陶瓷和Z轴压电陶瓷分别与所述控制单元相连接。可选的，所述激光光路调节装置包括激光瞄准器，反射镜组，四象限光电探测器，以及调节所述激光瞄准器偏转的第一激光调节器、调节反射镜组旋转角度的第二激光调节器和第三激光调节器，调节所述四象限光电探测器移动的第四激光调节器；所述激光瞄准器与所述四象限光电探测器相对设置，所述反射镜组设于所述激光瞄准器与所述四象限光电探测器之间，且设于所述样品台台面正对位置，所述四象限光电探测器与所述控制单元相连接，所述激光瞄准器通过光纤与激光发射器相连接。可选的，所述样品室设有舱门，所述舱门上设有功能扩展信号接孔、信号线接口、地线接孔以及光纤接孔。可选的，所述电镜极靴所发射的电子束的轴线方向与所述样品台台面的夹角为20～30°，所述电子束的尖端照射到所述探针的尖端。本技术还提供了一种利用纳米材料力学性能原位测试系统测试纳米材料力学性能的方法，所述纳米材料力学性能原位测试系统包括包括扫描电子显微镜，设于所述扫描电子显微镜的样品室内部的扫描探针测试单元，与所述扫描电子显微镜和所述扫描探针测试单元相连接的控制单元，以及与所述控制单元连接的计算机；所述扫描探针测试单元包括底座，设于所述底座上表面一侧的调节台，设于所述底座上表面另一侧的测量机构；所述扫描电子显微镜包括电镜极靴，所述调节台上设有样品台，能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动的X轴调节装置、能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动的Y轴调节装置，以及能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底座上表面的方向移动的Z轴调节装置；X轴平行于所述调节台长度方向且平行于所述底座上表面，Y轴垂直于所述调 节台长度方向且垂直于所述底座的上表面，Z轴垂直于调节台长度方向且平行于所述底座上表面，所述样品台表面位于所述X轴与所述Y轴构成的平面内；所述测量机构包括激光光路调节装置，设于底座上的探针基座，以及设于所述探针基座上的探针，所述探针位于所述电镜极靴下方，所述激光光路调节装置用于准直和聚焦激光；所述测试纳米材料力学性能的方法包括以下步骤：调节激光光路调节装置，使激光聚焦到所述四象限光电探测器的中心；控制X轴调节装置、Y轴调节装置和Z轴调节装置调节样品台的位置，使样品台上的样品位于所述探针正下方；抽真空，打开电子束，聚焦电子束至探针尖端；控制X轴压电陶瓷和Y轴压电陶瓷调节样品台的位置，使探针尖端与样品接触；控制Z轴调节装置调节样品台上的样品与探针接触；控制Z轴压电陶瓷调节样品台，使探针对样品施加载荷；获取载荷值；载荷值达到目标值时，控制Z轴压电陶瓷停止运动并回到初始状态；控制计算机记录并输出加载过程中四象限光电探测器的光电信号与压电陶瓷位移关系曲线。可选的，样品固定在所述样品台上，关上扫描电子显微镜的舱门，抽真空后，扫描电子显微镜的电子枪加高电压，再打开电子束，调整扫描电子显微镜工作状态，在不同放大倍率下观察扫描探针显微镜对纳米材料进行力学性能测试的微观过程。根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：本技术提供的纳米材料力学性能原位测试系统中的扫描探针测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米材料力学性能原位测试系统，其特征在于，包括扫描电子显微镜，设于所述扫描电子显微镜的样品室内部的扫描探针测试单元，与所述扫描电子显微镜和所述扫描探针测试单元相连接的控制单元，以及与所述控制单元连接的计算机；所述扫描探针测试单元包括底座，设于所述底座上表面一侧的调节台，设于所述底座上表面另一侧的测量机构；所述扫描电子显微镜包括电镜极靴，所述调节台上设有样品台，能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动的X轴调节装置、能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动的Y轴调节装置，以及能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底座上表面的方向移动的Z轴调节装置；X轴平行于所述调节台长度方向且平行于所述底座上表面，Y轴垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座的上表面，Z轴垂直于调节台长度方向且平行于所述底座上表面，所述样品台表面位于所述X轴与所述Y轴构成的平面内；所述测量机构包括激光光路调节装置，设于底座上的探针基座，以及设于所述探针基座上的探针，所述探针位于所述电镜极靴下方，所述激光光路调节装置用于准直和聚焦激光。

【技术特征摘要】
1.一种纳米材料力学性能原位测试系统，其特征在于，包括扫描电子显微镜，设于所述扫描电子显微镜的样品室内部的扫描探针测试单元，与所述扫描电子显微镜和所述扫描探针测试单元相连接的控制单元，以及与所述控制单元连接的计算机；所述扫描探针测试单元包括底座，设于所述底座上表面一侧的调节台，设于所述底座上表面另一侧的测量机构；所述扫描电子显微镜包括电镜极靴，所述调节台上设有样品台，能使所述样品台沿所述调节台长度方向移动的X轴调节装置、能使所述样品台沿垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座上表面的方向移动的Y轴调节装置，以及能使样品台沿垂直于所述调节台的长度方向且平行于所述底座上表面的方向移动的Z轴调节装置；X轴平行于所述调节台长度方向且平行于所述底座上表面，Y轴垂直于所述调节台长度方向且垂直于所述底座的上表面，Z轴垂直于调节台长度方向且平行于所述底座上表面，所述样品台表面位于所述X轴与所述Y轴构成的平面内；所述测量机构包括激光光路调节装置，设于底座上的探针基座，以及设于所述探针基座上的探针，所述探针位于所述电镜极靴下方，所述激光光路调节装置用于准直和聚焦激光。2.根据权利要求1所述的一种纳米材料力学性能原位测试系统，其特征在于，所述X轴调节装置包括固定于所述调节台上表面的X轴下导轨，设于所述X轴下导轨上的X轴上导轨，所述X轴上导轨242设有X轴直线电机，所述X轴直线电机的一端与所述X轴下导轨相连接，所述X轴直线电机与所述控制单元相连接。3.根据权利要求2所述的一种纳米材料力学性能原位测试系统，其特征在于，所述Y轴调节装置包括固定于所述X轴上导轨上表面的Y轴下导轨，设于所述Y轴下导轨上的Y轴上导轨，所述Y轴上导轨设有Y轴直线电机，所述Y轴直线电机的一端与所述Y轴下导轨连接，所述Y轴直线电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃飞，王晋，马晋遥，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：新型
国别省市：北京;11