一种有机薄膜杨氏模量标准化测算方法技术

本发明专利技术属于有机薄膜的力学特性测量技术领域，具体为一种有机薄膜杨氏模量标准化的测算方法。本发明专利技术方法的步骤为：对有机薄膜进行单次加载‑卸载测试，得到该有机薄膜的单次载荷曲线；应用描述分子间力和分子间距关系的罗纳德‑琼斯势理论，通过推导卸载曲线中的载荷与压入深度的关系来解释载荷曲线，并对载荷曲线进行拟合，得到拟合参数；根据理论推导得到有机薄膜杨氏模量和载荷压入深度的关系式，以及拟合参数，确定不同压入深度下有机薄膜的杨氏模量值。该方法可以得到柔软有机薄膜在压缩后弹回到受力为零时的杨氏模量E0，该杨氏模量E0不会随薄膜的应力或应变改变，相对固定，适用于有机薄膜杨氏模量的互相比较和标准化测试。

A standardized method for calculating Young's modulus of organic thin films

The invention belongs to the technical field of measuring mechanical properties of organic thin films, in particular to a standardized method for measuring Young's modulus of organic thin films. The steps of the method of the invention are as follows: the load curve of the organic film is obtained by single loading and unloading test, and the load curve is explained by deducing the relationship between the load in the unloading curve and the pressure depth by applying the Ronald Jones potential theory which describes the relationship between the intermolecular force and the distance between molecules. The fitting parameters were obtained by fitting the load curve, and the relationship between Young's modulus and load indentation depth of organic film was deduced theoretically, and the fitting parameters were obtained to determine the Young's modulus of organic film at different indentation depth. The Young's modulus E0 of the soft organic film can be obtained by this method when the elastic force is zero after compression. The Young's modulus E0 will not change with the stress or strain of the film, and is relatively fixed. It is suitable for the comparison and standardization test of Young's modulus of the organic film.

【技术实现步骤摘要】
一种有机薄膜杨氏模量标准化测算方法
本专利技术属于有机薄膜的力学特性测量
，具体涉及有机薄膜杨氏模量的测算方法。
技术介绍
有机薄膜已经被广泛地应用到发光显示，太阳能电池，传感器，以及其它类型的半导体器件中。有机薄膜能够弯曲的特性被看作是一个有别于无机半导体的独特的优点。在弯曲的过程中，有机薄膜无疑会受到应力的作用，因此其力学特性备受关注。目前，有很多工作利用纳米压痕仪研究有机薄膜的力学性能，尤其是通过测试其载荷曲线，得到其杨氏模量。但是目前的测试方法基本没有考虑其载荷曲线的非线性特征。类似的研究工作分歧也比较大，尤其是测试得到的杨氏模量差别比较大，经常只能给出一个大致的范围。另有一些人认为，聚合物的杨氏模量的变化是由于测量技术导致的问题。例如压头倾斜，样品粗糙度高，且未水平放置等原因引起的，而不是主要在于聚合物本身的特性。因此，有机薄膜杨氏模量的标准化测量具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新的用于有机薄膜杨氏模量标准化的测算方法。本专利技术提供的有机薄膜杨氏模量标准化的测算方法，具体步骤为：（1）利用纳米压痕仪对有机薄膜进行单次加载-卸载测试，得到该有机薄膜的单次载荷曲线；（2）应用描述分子间力和分子间距关系的罗纳德-琼斯势理论，通过推导卸载曲线中的载荷与压入深度的关系来解释载荷曲线，并对载荷曲线进行拟合，得到拟合参数；（3）根据理论推导得到有机薄膜杨氏模量和载荷压入深度的关系式，以及拟合参数，确定不同压入深度下有机薄膜的杨氏模量值。由于薄膜在卸载后回复到受力为零的平衡状态时，其杨氏模量E0相对固定，不会随薄膜的应力或应变改变，有利于有机薄膜杨氏模量的相互比较，可以更好地反映有机薄膜的力学特性。所以将该薄膜在平衡状态下的杨氏模量E0用于不同薄膜之间杨氏模量的比较。步骤（2）中，根据罗纳德-琼斯势推导得到的，用于拟合卸载曲线的公式为：式中，F为卸载曲线中的载荷，h为卸载曲线中的压入深度，hm为受力为零时的压入深度，ε为待拟合的参数：势阱深度，rm为待拟合的参数：实际参与形变的薄膜在平衡状态下的厚度。步骤（3）中，所述卸载曲线中，压入深度与薄膜杨氏模量关系的计算公式为：其中，E为有机薄膜杨氏模量，h为实际压入深度，hm为受力为零时的压入深度，rm为参与形变薄膜在平衡态下的厚度，E0为平衡状态下的杨氏模量，其表达式为：其中，D为测量卸载曲线所用纳米压痕仪压头的直径。本专利技术的优势在于：这种新的测算方法更能够反映薄膜材料本身的力学特性，排除了外加应力大小，薄膜厚度等测量参数对有机薄膜材料杨氏模量的影响，更适合用来比较不同材料之间的力学特性，对有机薄膜的标准化测量具有重大意义。附图说明图1为MEH-PPV薄膜单次测试载荷曲线，载荷为0.1mN时压强为318.5kPa。图2为MEH-PPV薄膜单次测试载荷曲线的拟合及意义。插图为薄膜形变示意。图3为根据公式和MEH-PPV薄膜载荷曲线拟合结果得到的杨氏模量随压入深度和载荷的变化。具体实施方式实施例1下面以MEH-PPV有机薄膜为例并结合附图进行进一步说明。图1为用纳米压痕仪对MEH-PPV有机薄膜进行单次加载-卸载，得到的该有机薄膜的单次载荷曲线，其中载荷为0.1mN时压强为318.5kPa。图2为利用罗纳德-琼斯势推导的分子间力与分子间距关系对MEH-PPV有机薄膜的单次载荷曲线进行拟合。通过拟合可以得到相关参数，参数结果为，hm=46nm，rm=600nm。图3为根据公式和图2的拟合结果得到的杨氏模量随压入深度和载荷的变化函数图。其中，D为进行加载的平压头直径。由图可以看出该公式得到的拟合值与实验值十分接近，误差约为5%。由以上步骤和结果，便可确定MEH-PPV有机薄膜在不同压入深度下的杨氏模量数值。把测试得到的数据h=82.61nm，以及拟合得到的hm=46nm代入公式，得到E=231MPa，这一拟合结果与机器测试得到的数值243MPa相比,差别约为5%，一致性相当好。上述实施例说明了本专利技术的可行性及先进性。另外，该实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种有机薄膜杨氏模量标准化的测算方法，其特征在于，具体步骤为：（1）利用纳米压痕仪对有机薄膜进行单次加载‑卸载测试，得到该有机薄膜的单次载荷曲线；（2）应用描述分子间力和分子间距关系的罗纳德‑琼斯势理论，通过推导卸载曲线中的载荷与压入深度的关系来解释载荷曲线，并对载荷曲线进行拟合，得到拟合参数；（3）根据理论推导得到有机薄膜杨氏模量和载荷压入深度的关系式，以及拟合参数，确定不同压入深度下有机薄膜的杨氏模量值。

【技术特征摘要】
1.一种有机薄膜杨氏模量标准化的测算方法，其特征在于，具体步骤为：（1）利用纳米压痕仪对有机薄膜进行单次加载-卸载测试，得到该有机薄膜的单次载荷曲线；（2）应用描述分子间力和分子间距关系的罗纳德-琼斯势理论，通过推导卸载曲线中的载荷与压入深度的关系来解释载荷曲线，并对载荷曲线进行拟合，得到拟合参数；（3）根据理论推导得到有机薄膜杨氏模量和载荷压入深度的关系式，以及拟合参数，确定不同压入深度下有机薄膜的杨氏模量值。2.根据权利要求1所述的测算方法，其特征在于，步骤（2）中，根据罗纳德-琼斯势理论得到的，...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟高余，叶飞，李杰，闫伟青，王虞焱，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31