一种二维材料力学性能测试设备及其测试工艺，涉及二维材料力学性能芯片测试技术领域，包括测试实验台、动力机构、二维材料端部连接机构和拉升性能测量机构；所述动力机构安装在测试实验台上，动力机构的动力输出端的位移精度大于1纳米每秒；所述薄膜端部连接机构的一端将被测薄膜与测试实验台固定，另一端将被测薄膜与动力机构的动力输出端连接。本发明专利技术能实现二维材料的真空吸附式装夹，动力机构能提供纳米级的拉伸位移，能精准对拉伸极限计算所要参数的记录，后续拉伸极限和拉伸率的计算结果更能精准地反映二维材料本身的力学特性，为二维材料提供精准的力学性能数据。二维材料提供精准的力学性能数据。二维材料提供精准的力学性能数据。
【技术实现步骤摘要】
一种二维材料力学性能测试设备及其测试工艺
[0001]本专利技术涉及二维材料力学性能测试
，尤其是涉及一种二维材料力学性能测试设备及其测试工艺。
技术介绍
[0002]二维材料，是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1
‑
100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。
[0003]针对低维材料，特别是二维材料的机械力学性能测试越来越受到研究人员的关注，因为直接关系到二维材料具体应用到实际生产中的具体效果。
[0004]目前最具代表性的二维材料产品是石墨烯，石墨烯膜是浙江大学高分子系高超教授团队制造出的一种新型材料，解决了宏观材料高导热和高柔性不能兼顾的世界性难题，能很好地应用到芯片领域。
[0005]如何在不产生原子层褶皱或底褶皱情况下，实现对单层二维膜精度高的二维平面力学拉伸测试，是精准判断其力学拉伸性能的关键。
[0006]目前，现有的技术，对于单层二维膜的测量一般采用两段机械式装夹，采用液压拉升或者气动拉升的方式进行，这种拉升控制精度低，不能实现微量级的拉伸测量，测量精度低，一般只能做到微米级的测量，对于拉升率的测量适用范围小，测量精度较差，对于一些有优良拉伸性能的二维材料无法实现最大拉伸量，也就无法进行拉伸测量，无法真实地反映单层二维膜的力学拉伸性能。
技术实现思路
[0007]为了解决二维材料力学拉伸性能高精度测量普适性的技术问题，本专利技术提供一种二维材料力学性能测试设备及其测试工艺。采用如下的技术方案：
[0008]一种二维材料力学性能测试设备，包括测试实验台、动力机构、薄膜端部连接机构和拉升性能测量机构；
[0009]所述动力机构安装在测试实验台上，动力机构的动力输出端的位移精度大于1纳米每秒；
[0010]所述二维材料端部连接机构的一端将被测薄膜与测试实验台固定，另一端将被测二维材料与动力机构的动力输出端连接；
[0011]所述拉升性能测量机构设置在测试实验台上，用于对不同尺寸的被测二维材料拉伸前后的测量。
[0012]通过上述技术方案，将被测二维材料的两端通过二维材料端部连接机构固定连接，动力机构动作先将被测薄膜未被夹持区域绷紧，位移精度大于1纳米每秒，由于被测二维材料指的是单层或者少层的二维材料薄膜，其厚度为几个原子结构厚度，通常在纳米量级，只有位移精度大于1纳米每秒，才可以实现纳米级的拉伸，这样在拉断时才能精准地测
量拉升率，并精准地对拉断力进行测量，拉升性能测量机构实现对被测薄膜拉伸前后的观测测量，记录各个状态下的不同尺寸，用于后期进行拉伸极限和拉伸率的测量。
[0013]可选的，所述动力机构包括伺服电机、伺服控制器和减速齿轮箱，所述伺服控制器与伺服电机控制连接，控制伺服电机按照恒定转速或恒定功率的模式运行，所述伺服电机和减速齿轮箱的机座分别固定安装在测试实验台内部，且减速齿轮箱的动力输入轴与伺服电机的动力轴传动连接。
[0014]通过上述技术方案，采用伺服电机作为动力源，在伺服控制器的控制下，其旋转角精度可以达到万分之一圈的控制精度，再配合减速齿轮箱高减速比的减速，反映到被测二维材料的拉伸过程，就可以实现纳米级的精度拉伸。
[0015]可选的，所述伺服电机的旋转角精度大于0.1
°
，所述减速齿轮箱的减速比大于1：1000。
[0016]通过上述技术方案，当伺服电机的旋转角精度为0.2
°
时，可以实现控制1秒转动0.2
°
，就可以实现纳米级的位移控制。
[0017]可选的，二维材料端部连接机构包括连接轮、半弧连接轮盖板、连接块、压块、旋转接头和真空发生器，所述连接轮设有二维材料连接平面，侧面设有抽气口，所述二维材料连接平面上均匀阵列有一组真空吸附孔，所述真空吸附孔通过连接轮内部设置的气路与抽气口连通，所述抽气口通过旋转接头和气管与真空发生器连通，当真空发生器抽真空时，所述半弧连接轮盖板将被测二维材料的一个端面压紧在连接轮的二维材料连接平面上，且连接轮顶部的轮切面与测试实验台表面平齐，所述连接块的上表面上均匀阵列有一组真空吸附孔，底部设有抽气口，真空吸附孔通过连接块内部的气路与底部的抽气口连通，抽气口通过管道与真空发生器连通，连接块安装在测试实验台上，且上表面与测试实验台的表面平齐，当真空发生器抽真空时，所述压块将被测二维材料的另一个端面压紧在连接块上表面。
[0018]通过上述技术方案，通过转动的方式实现拉伸位移的测量，拉伸长度适用范围广，理论上可以实现无限大的拉升率测量，但实际上当拉升率大于100％时，由于厚度的叠加，会导致拉伸率测量精度降低，但是这种精度降低是很微小的，被测二维材料的两端分别通过真空吸附的方式进行装夹，适用到宽度范围大，且不会由于传统的机械夹持导致破坏材料表面，提升测量精度。
[0019]可选的，拉升性能测量机构包括电子显微镜和电脑，所述电子显微镜安装在测试实验台上，电子显微镜的观察台面嵌入在测试实验台上，位于连接轮和连接块的中间位置，且电子显微镜的观察台面上表面与测试实验台的表面平齐，所述电脑的数据接口分别与电子显微镜和伺服控制器通信电连接。
[0020]通过上述技术方案，电子显微镜的观察台面上表面与测试实验台的表面平齐，不影响被测薄膜平移过程，且可对被测薄膜中部区域进行标记测量，这样测得的伸长率更加精准，电脑通过数据接口可以获得电子显微镜和伺服控制器的实时参数，用于后续对于拉伸极限和拉伸率计算。
[0021]可选的，所述电子显微镜是场发射扫描电镜SEM5000，放大倍率1到250万倍。
[0022]通过上述技术方案，场发射扫描电镜SEM5000，场发射扫描电镜SEM5000SEM5000是一款分辨率高、功能丰富的场发射扫描电子显微镜。高压隧道技术(SuperTunnel)、低像差无漏磁物镜设计，实现了低电压高分辨率成像，同时磁性样品可适用，可以实现1nm级别的
精准测量。
[0023]采用要求1
‑
6任一所述一种二维材料力学性能测试设备进行二维材料拉伸测试的工艺，包括以下步骤：
[0024]Step1，取被测二维材料，两端分别通过二维材料端部连接机构吸附连接；
[0025]Step2，伺服控制器设定控制程序，控制伺服电机按照2
‑
20转/秒的转速旋转，当瞬时功率出现大于0.1％
‑
0.5％幅度增长时，伺服电机停机；
[0026]Step3，电子显微镜观测位于观察台面上的被测薄膜中间段，并标记被测薄膜长度为10
‑
20个原子的区域为被测薄膜的测量区，对所述测量区进行轮廓标记，并测量长度标记为L1；
[0027]Step4，伺服控制器设定控制程序，控制伺服电机按照0.01转/秒的恒定速度旋转，直至被测二维材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种二维材料力学性能测试设备，其特征在于：包括测试实验台(1)、动力机构、二维材料端部连接机构和拉升性能测量机构；所述动力机构安装在测试实验台(1)上，动力机构的动力输出端的位移精度大于1纳米每秒；所述二维材料端部连接机构的一端将被测二维材料(100)与测试实验台(1)固定，另一端将被测二维材料与动力机构的动力输出端连接；所述拉升性能测量机构设置在测试实验台(1)上，用于对不同尺寸的被测薄膜(100)拉伸前后的测量。2.根据权利要求1所述的一种二维材料力学性能测试设备，其特征在于：所述动力机构包括伺服电机(2)、伺服控制器(3)和减速齿轮箱(4)，所述伺服控制器(3)与伺服电机(2)控制连接，控制伺服电机(2)按照恒定转速或恒定功率的模式运行，所述伺服电机(2)和减速齿轮箱(4)的机座分别固定安装在测试实验台(1)内部，且减速齿轮箱(4)的动力输入轴与伺服电机(2)的动力轴传动连接。3.根据权利要求2所述的一种二维材料力学性能测试设备，其特征在于：所述伺服电机(2)的旋转角精度大于0.1
°
，所述减速齿轮箱(4)的减速比大于1：1000。4.根据权利要求2所述的一种二维材料力学性能测试设备，其特征在于：二维材料端部连接机构包括连接轮(5)、半弧连接轮盖板(6)、连接块(7)、压块(8)、旋转接头(9)和真空发生器(10)，所述连接轮(5)设有二维材料连接平面(51)，侧面设有抽气口，所述二维材料连接平面上均匀阵列有一组真空吸附孔，所述真空吸附孔通过连接轮(5)内部设置的气路与抽气口连通，所述抽气口通过旋转接头(9)和气管与真空发生器(10)连通，当真空发生器(10)抽真空时，所述半弧连接轮盖板(6)将被测二维材料(100)的一个端面压紧在连接轮(5)的二维材料连接平面(51)上，且连接轮(5)顶部的轮切面与测试实验台(1)表面平齐，所述连接块(7)的上表面上均匀阵列有一组真空吸附孔，底部设有抽气口，真空吸附孔通过连接块(7)内部的气路与底部的抽气口连通，抽气口通过管道与真空发生器(10)连通，连接块(7)安装在测试实验台(1)上，且上表面与测试实验台(1)的表面平齐，当真空发生器(10...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹奎波，
申请(专利权)人：南京东芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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