微納尺度材料的特性與應(yīng)用

1微納尺度材料的應(yīng)用微納尺度材料是指外觀幾何大小或基本單元大小為10nm的材料。率先將聚焦離子束(FocusedIonBeam,FIB)技術(shù)應(yīng)用于微納尺度材料力學(xué)性能測試并取得巨大成功的是美國空軍實驗室的MichaelD.Uchic等人2菲比在不同幾何形狀的力學(xué)試驗中的應(yīng)用2.1微納尺度顆粒的壓縮試驗微納尺度顆粒通常是人工合成的。由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性能,微納尺度顆粒在醫(yī)藥、化妝品、磨料、潤滑、催化等領(lǐng)域展示了廣泛而誘人的應(yīng)用前景為了改變這一現(xiàn)狀,單等2010年,單及其同事為了防止微納尺度的顆粒樣品在壓縮過程中發(fā)生移位或滾動,從而影響其力學(xué)性能的測試,單及其同事2.2微納尺度柱體的加工2004年,美國空軍實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和斯坦福大學(xué)的研究人員合作在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了關(guān)于材料強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的論文用FIB加工微納尺度的柱體樣品大致可以分為兩類。第一類如圖3b所示。該類樣品和宏觀壓縮實驗中所用的樣品具有同樣的均勻截面,唯一不同的是其根部和母體相連,該類圓柱是通過FIB車削而成的早期的基于FIB所加工的樣品的力學(xué)測試都是非原位的測試。相應(yīng)的也帶來了一系列的科學(xué)問題:如FIB對所加工的單晶樣品是否有影響?如果有,如何影響?影響到何種程度?為了回答這些疑問,單等2.3微納尺度樣品微柱壓縮作為材料力學(xué)性能試驗的基本方法之一,簡便易行運(yùn)用廣泛,但同時也有一定的局限性。首先,壓縮試驗主要適用于脆性材料,如鑄鐵、軸承合金和建筑材料等。其次,由于試樣與壓頭之間存在摩擦力,約束了試樣的橫向變形,容易出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象。特別是當(dāng)柱形試樣存在一定的錐度時,應(yīng)力梯度的存在很容易引起接觸面附近的局部變形圖4a是“套勾法”的工作原理示意圖。這一方法是奧地利一個研究組在2008年最早在掃描電鏡中開始使用的如圖5所示,田等在傳統(tǒng)宏觀拉伸試樣上,可以通過刻線來標(biāo)記材料的變形量,或者利用引伸儀(應(yīng)變片)來對材料形變進(jìn)行實時的測量。但是對于微納尺度樣品而言,兩者皆不適用。首先,在微納尺度的樣品上刻蝕標(biāo)記一方面會損傷材料,另一方面在刻蝕的地方可能造成足以顯著影響后續(xù)測試的應(yīng)力集中。其次,目前沒有適用于測試微納尺度樣品的應(yīng)變片存在。相對于所有以前在該領(lǐng)域的工作,田等在樣品制備方法上的最大貢獻(xiàn)是創(chuàng)造性地利用電子束輔助碳沉積在樣品上制造兩個標(biāo)記,如圖5c所示,從而成功解決了微小試樣拉伸測試中難以精確測量應(yīng)變的難題。實驗證明,這種添加標(biāo)記的方法對樣品幾乎無損傷,而且方便快捷,可控性強(qiáng)。值得一提的是,碳沉積原本是掃描電鏡(SEM)和FIB腔體里一種常見的污染,幾乎無處不在的含碳分子在電子束的輻照下分解,并在樣品表面沉積從而顯著影響成像,是一種令人煩惱的污染。田等從原理出發(fā),巧妙地將碳污染轉(zhuǎn)化為碳標(biāo)記,是變廢為寶的一個典型案例。利用上述樣品制備方法,田等人選取幾何尺寸在200~300nm之間的金屬非晶試樣為研究對象,成功實現(xiàn)了對所研究金屬非晶材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的高精度測量(圖5d)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)金屬的實測彈性極限是大塊非晶態(tài)金屬彈性應(yīng)變的兩倍多,和理論預(yù)測的理想彈性極限相一致“基體蝕刻法”和“套勾法”對母體為塊材的材料比較適用。但是對于低維納米材料,如納米線等就必須尋找新的方法。其難點(diǎn)是如何固定樣品的兩端從而能夠可控地施加應(yīng)變,FIB輔助的“焊接法”由此應(yīng)運(yùn)而生,并在測量一維納米材料的力學(xué)性能中得到了廣泛的應(yīng)用作為連結(jié)納米線和基底的材料,在測試納米線的過程中Pt將承受一定的力,因此需要Pt具有良好的力學(xué)性能。通過改變沉積條件,包括電壓、電流、重疊率、駐留時間等參數(shù),可以獲得形貌不同、性能各異的Pt薄膜。例如在保持離子束電流為48pA左右,改變加速電壓,獲得的Pt形貌不同,電壓越大沉積的Pt表面越平整,見圖7。實驗證明,離子束電壓30kV,電流40pA時的沉積條件下可以獲得平整度高、致密度好的Pt薄膜2.4懸臂梁幾何形狀除了壓縮試驗和拉伸試驗,還可以將材料加工成適合于彎曲試驗的幾何形狀,例如懸臂梁,見圖8。利用彎曲試驗裝置可以測量微納尺度材料的彎曲性能,研究缺口和預(yù)裂紋對于材料力學(xué)行為的影響3材料表面原子及其共晶結(jié)構(gòu)由于FIB技術(shù)是利用高能離子束與材料的相互作用加工材料,得到的樣品就不可避免的存在一定的損傷和缺陷。當(dāng)帶有一定能量的離子,例如30KeV的Ga離子,入射到樣品表面時,離子與樣品交換能量。這些能量會導(dǎo)致樣品(靶材料)表面原子的濺射,這是進(jìn)行材料去除加工的主要過程。在靶材料原子濺射的同時還伴隨著入射離子的散射、電子和電磁波的激發(fā)以及樣品溫度的上升此外,FIB損傷對材料力學(xué)性能的影響,在納米力學(xué)測試中不容忽略。有報道稱,對非晶材料進(jìn)行局部輻照,會顯著改變其力學(xué)性能,所得結(jié)果并不能代表該材料的本征性能。例如由FIB輻照可能造成非晶中自由體積的增加,導(dǎo)致材料硬度降低FIB對低熔點(diǎn)材料,例如金屬錫進(jìn)行精細(xì)加工十分困難,主要表現(xiàn)在難以獲得特征尺寸在100nm以下的結(jié)構(gòu)。圖9對比了在硅和錫兩種材料表面刻蝕的結(jié)果。用相同電壓、電流的離子束進(jìn)行線刻蝕,在錫上得到的線寬約為硅上的兩倍多,證明離子束對錫的濺射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅。而在加工直徑小于200nm的圓柱時,產(chǎn)生的熱量不易導(dǎo)出4加工精度和適用材料的范圍利用FIB加工微納尺度力學(xué)測試試樣具有以下優(yōu)勢:(1)可以在特定樣品的特定位置加工出所需的形狀和尺寸;(2)對幾微米至幾十納米尺寸的樣品加工精度較高,速度較快;(3)適用材料的范圍較廣,可用于加工硬材料如金屬、陶瓷,以及軟材料包括高分子、生物材料隨著工業(yè)和科研領(lǐng)域?qū)ξ⒓{加工的需求日益增加,FI