基于MEMS的TEM-SEM原位納米結(jié)構(gòu)拉伸實驗研究.pdf

1、當物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征尺度減小至納米尺度時，材料的物理性質(zhì)將表現(xiàn)出與體材料很大的差異，這就是納米尺度效應。了解材料在納米尺度下的物理性質(zhì)對未來納米器件的研制是必要的。在對納米材料物理性質(zhì)眾多的研究手段中，對納米結(jié)構(gòu)的力學加載研究是探索納米結(jié)構(gòu)物理本質(zhì)的手段之一。實驗上對納米結(jié)構(gòu)進行力學加載和測量極為困難。目前國際上主要利用AFM/探針技術(shù)和MEMS微執(zhí)行器技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)進行TEM/SEM原位機械加載從而獲得納米結(jié)構(gòu)的力學特性。但目前國際上利用

2、AFM/探針技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)進行機械加載的實驗系統(tǒng)尺寸較大、可控性差且非常復雜。相比之下MEMS執(zhí)行器具有可控性高、尺寸小、功耗低、等眾多優(yōu)點。但目前國際上少數(shù)幾個利用MEMS技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)進行TEM/SEM原位力學加載的器件中由于集成了力學傳感結(jié)構(gòu)而使得結(jié)構(gòu)和測試系統(tǒng)都非常復雜;而且難以實現(xiàn)在原位加載的過程中對納米結(jié)構(gòu)的力學性能和電學性能進行同時表征。
　　 針對以上的問題，本論文設計并制備出了結(jié)構(gòu)簡單、容易制備、可用于SEM/

3、TEM原位納米結(jié)構(gòu)機械加載的MEMS器件，利用此器件對不同的納米結(jié)構(gòu)進行了TEM/SEM原位拉伸實驗并表征其力學特性或者是拉伸過程中的電學特性，最終根據(jù)實驗中所獲得的經(jīng)驗對MEMS器件提出改進。研究內(nèi)容具體包括以下幾個方面:
　　 (1)在前人的研究基礎上，搭建了單晶硅納米梁在TEM內(nèi)處于單軸拉伸狀態(tài)下晶格常數(shù)測量的實驗平臺，進而在TEM中利用選區(qū)電子衍射成像模式對處于拉伸過程中的單晶硅納米梁晶格常數(shù)進行測量，從而表征出處于拉伸

4、過程中的單晶硅納米梁晶格行為;并用單晶硅的晶格拉伸模型和位錯模型對測量結(jié)果作出理論解釋。
　　 (2)針對目前國際上難以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)力學特性和電學特性同時進行表征或表征系統(tǒng)過于復雜的問題，設計并制備出適用于對納米結(jié)構(gòu)進行SEM原位拉伸加載的、能在拉伸過程中對納米結(jié)構(gòu)電學特性進行測量的、結(jié)構(gòu)簡單易于制備的原位靜電拉伸芯片;通過納米操縱和組裝技術(shù)將Cu納米線以及SiC納米線組裝到此拉伸器件上并進行了SEM原位拉伸試驗;分別獲得了C

5、u納米線和SiC納米線的應力應變關系以及在不同拉伸應力下的(I)-(V)特性曲線。
　　 (4)本文還對Cu納米線以及SiC納米線的SEM原位拉伸實驗結(jié)果進行了理論的探討和研究。通過結(jié)合這兩種納米線的TEM高分辨原子圖像以及相關文獻調(diào)研結(jié)果，以Cu納米線的表面氧化層電學阻隔效應來解釋Cu納米線的非線性電學特性，并以SiC納米線在應力作用下表面能級模型來解釋SiC納米線的顯著納米壓阻現(xiàn)象。
　　 (4)針對前面的靜電拉伸器