福建表面微纳米力学测试技术

当前纳米力学主要应用的测试手段是纳米压痕和基于原子力显微镜(AFM) 的力—距离曲线方法，实际上还有另外一种基于AFM 的纳米力学测试方法——扫描探针声学显微术(atomic force acoustic microscopy，AFAM)。AFAM具有分辨率高、成像速度快、相对误差低、力学性能敏感度高等优点。然而，目前AFAM 的应用还不够普遍，相关领域的学者对AFAM 了解和使用的还不多。为此，我们在前期研究的基础上，经过整理和凝练，形成了这部专著，目的是推动AFAM这种新型纳米力学测量方法在国内的普遍应用。纳米力学测试可以应用于纳米材料的质量控制和品质检测，确保产品符合规定的力学性能要求。福建表面微纳米力学测试技术

纵观纳米测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展：一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法；二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中较新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说，表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分，使其在设计和制造中存在许多的盲目性，现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外，由于纳米材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全表示其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，纳米尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。福建表面微纳米力学测试技术原子力显微镜（AFM）在纳米力学测试中发挥着重要作用，可实现高分辨率成像。

在AFAM 测试系统开发方面，Hurley 等开发了一套基于快速数字信号处理的扫频模式共振频率追踪系统。这一测试系统可以根据上一像素点的接触共振频率自动调整扫描频率的上下限。随后，他们又开发出一套称为SPRITE(scanning probe resonance image tracking electronics) 的测试系统，可以同时对探针两阶模态的接触共振频率和品质因子进行成像，并较大程度上提高成像速度。Rodriguez 等开发了一种双频共振频率追踪(dual frequency resonance tracking，DFRT) 的方法，此种方法应用于AFAM 定量化成像中，可以同时获得探针的共振频率和品质因子。日本的Yamanaka 等利用PLL(phase locked loop) 电路实现了UAFM 接触共振频率追踪。

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。纳米力学测试技术的发展推动了纳米材料和纳米器件的性能优化。

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。测试设置需精确控制实验条件，以消除外部干扰，确保实验结果的准确性。重庆核工业纳米力学测试供应商

纳米力学测试还可以用于研究纳米结构材料的断裂行为和变形机制。福建表面微纳米力学测试技术

纳米压痕技术也称深度敏感压痕技术（Depth-Sensing Indentation， DSI)，是较简单的测试材料力学性质的方法之一，可以在纳米尺度上测量材料的各种力学性质，如载荷-位移曲线、弹性模量、硬度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性或蠕变行为等。纳米压痕理论，纳米压痕试验中典型的载荷-位移曲线。在加载过程中试样表面首先发生的是弹性变形，随着载荷进一步提高，塑性变形开始出现并逐步增大；卸载过程主要是弹性变形恢复的过程，而塑性变形较终使得样品表面形成了压痕。图中Pmax 为较大载荷，hmax 为较大位移，hf为卸载后的位移，S为卸载曲线初期的斜率。纳米硬度的计算仍采用传统的硬度公式H =P/A。式中，H 为硬度 (GPa)；P 为较大载荷 ( μ N)，即上文中的 P max ；A 为压痕面积的投影(nm2 )。 福建表面微纳米力学测试技术