一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台

摘要

本发明公开了一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，包括基体、底座、样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片、螺丝。样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片从下到上依次叠放在样品台底座上，并通过四个螺丝固定，底座由螺丝固定于基体正面，具有体积小巧的特点。本发明填补了纳米压入仪中单轴力电耦合拉伸测试一维和二维微纳材料的空白，具有结构简单，性能可靠，安装简便，便于操作，应用范围广的特点，易于与其他测试方法联用实现大气压下的多场耦合测试。

权利要求

1.一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，包括基体(1)、底座(2)、样品台电路板(4)、样品台定位片(5)、绝缘盖片(7)、螺丝(8)，其特征在于：样品台电路板(4)、样品台定位片(5)、绝缘盖片(7)从下到上依次叠放在样品台底座(2)上，底座(2)由螺丝(3)固定于基体(1)正面，样品台定位片(5)具有碗状结构的卡槽(14)，尺寸与力电耦合单轴拉伸装置(6)相符，对力电耦合单轴拉伸装置(6)具有限位作用，使得力电耦合单轴拉伸装置(6)的环形电极(16)恰好与样品台电路板(4)前端的环形通孔电极(10)一一对齐。

2.根据权利要求1所述的一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，其特征在于，样品台电路板(4)前端表面具有四个环形通孔电极(10)相互绝缘，其分布与力电耦合单轴拉伸装置(6)上的环形电极(16)相同，环形通孔电极(10)表面具有弹性导电凸起以利于与环形电极(15)形成良好的电接触，样品台电路板(4)后端表面具有四个尺寸较大的通孔电极(12)，与环形通孔电极(10)通过导线(11)连接，导线(11)位于样品台电路板(4)内层，通孔电极(12)通过引线(13)与测试电源表连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，其特征在于，绝缘盖片(7)具有凸起(15)，凸起(15)的位置与卡槽(14)对齐且尺寸应小于卡槽(14)，绝缘盖片(7)具有良好的电绝缘性和弹性。

说明书

一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳材料弹性应变研究领域，涉及一种应用于微纳材料多场(力、电、热，光)联合表征系统的方法和装置，具体涉及一种机械加工技术和电路板制作技术的用于装载微纳材料力电耦合单轴拉伸装置的样品台。

背景技术

[0002] 世界著名的材料力学界学者John J.Gilman在他所著的书：《Electronic Basis of the Strength of Materials》(剑桥大学出版社，2008)中解释了材料的理论强度(在该应力下原子间的键将自发地断裂或切换)和剧烈的电子结构变化(如半导体带隙的闭合)之间的密切关系。因为几乎材料的所有物理和化学性能都取决于电子结构，而电子结构在原子键自发断裂前一定会发生剧烈的改变，因此与无应力状态相比，当所施加的应变接近理论应变的时候，材料本身应该具有非同寻常的甚或是奇异的物理化学性质。大量的实验和理论工作已经证明，弹性应变可以使材料的很多性能得到优化，甚至发生根本性改变。微纳材料的一个显著特点是其强度的尺寸效应，当材料的尺寸减小到微纳米尺度时，其所能承受的弹性应变往往是其块体母材的50-100倍，即学术界常说的“越小越强”。为此，在大弹性应变范围内研究一维和二维微纳材料结构、电学、光学等性质(既实现多场耦合测试)具有极为重要的科学意义和巨大的潜在经济效应。

[0003] 然而，由于一维和二维微纳材料与传统宏观材料相比物理尺寸极小，传统的力学加载方式在一维微纳材料的研究上不再有效。从施加的应变方式来看，材料在单轴拉伸下具有受力状态简单且可以对原子间的键有效的改变，从而更为有效地调控材料的性能。为此如何对一维和二维微纳材料有效地施加单轴拉伸应变是弹性应变工程极为关键的一个问题。

[0004] 美国Hysitron公司设计研制了一种名为“Push-to-Pull(PTP)”的力电耦合单轴拉伸装置(Micro/nano-mechanical test system employing tensile test holder with Push-to-pull transformer,US 2010/0095780 Al,2010.4.22)，结合该公司的透射电子显微镜(TEM)原位样品杆可以实现对纳米材料的高精度单轴拉伸，对样品施加连续准静态应变，有效地解决了如何对一维和二维微纳材料有效地施加单轴拉伸应变的问题。但是该器件目前具有以下缺点：首先，该力电耦合单轴拉伸装置只配合TEM原位样品杆使用，使用环境局限在了高真空的TEM中。值得我们注意的是，在纳米器件的实际应用中，它们大多将在我们真实的环境中服役，即受到空气中氧气，水蒸气(是氢的重要提供者)等气氛的影响。为此定量研究气氛环境对一维和二维微纳材料性能的影响显得尤为迫切和更加具有实际的意义。而TEM原位样品杆难以实现不同气体气氛场与单轴拉伸耦合实验，尤其是在大气压下对一维和二维微纳材料多场耦合性能的表征；其次，TEM原位样品杆所能施加的应力范围十分有限，对于高弹性模量的材料所能施加的应变十分有限，往往不能达到材料的屈服强度(例如高模量的半导体材料)；第三，在TEM实现力电耦合较为容易，但是对于其他场(光，磁等)的引入由于TEM高真空的限制很难实现，设备改造成本非常高。

[0005] 而纳米压入仪在具有极高的力学分辨率的同时可以在大气压下进行实验，引入其他场也较为容易，可以与TEM原位样品杆形成有效的互补。但是目前还没有可在纳米压入仪中使用的用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台。

[0006] 正如上所述，纳米压入仪在具有极高的力学分辨率的同时可以在大气压下进行实验，可以与TEM原位样品杆形成有效的互补。但是目前还没有可在纳米压入仪中使用的用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，不能满足目前在微观尺度上对微纳材料弹性应变工程的研究的要求。

发明内容

[0007] 本发明目的在于提供一种能够可在纳米压入仪中使用的用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，从而实现在大气压下对一维和二维微纳材料进行多场耦合性能的表征。

[0008] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种集合机械加工技术和电路板制作技术的用于装载微纳材料力电耦合单轴拉伸装置的样品台，该样品台实现了纳米压入仪与力电耦合单轴拉伸装置的联合使用，在大气环境下对一维和二维微纳材料进行单轴力电耦合测试，进而还可以实现微纳材料的多场耦合测试，极大地推进微纳材料的弹性应变工程的。

[0009] 为实现上面的目标，本发明所述的一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台包括基体、底座、样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片、螺丝。样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片从下到上依次叠放在样品台底座上，并通过四个螺丝固定，底座由螺丝固定于基体正面，具有体积小巧的特点。

[0010] 本发明的技术方案是这样实现的：

[0011] 一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台，包括基体、底座、样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片、螺丝，样品台电路板、样品台定位片、绝缘盖片从下到上依次叠放在样品台底座上，底座由螺丝固定于基体正面。

[0012] 样品台定位片具有碗状结构的卡槽，尺寸与力电耦合单轴拉伸装置相符，对力电耦合单轴拉伸装置具有限位作用，使得力电耦合单轴拉伸装置的环形电极恰好与样品台电路板前端的环形通孔电极一一对齐。

[0013] 样品台电路板前端表面具有四个环形通孔电极相互绝缘，其分布与力电耦合单轴拉伸装置上的环形电极相同，环形通孔电极表面具有弹性导电凸起以利于与环形电极形成良好的电接触，样品台电路板后端表面具有四个尺寸较大的通孔电极，与环形通孔电极通过导线连接，导线位于样品台电路板内层，通孔电极通过引线与测试电源表连接。

[0014] 绝缘盖片具有凸起，凸起的位置与卡槽对齐且尺寸应小于卡槽，绝缘盖片具有良好的电绝缘性和弹性。

[0015] 本发明具有以下有益效果：

[0016] 本发明的填补了纳米压入仪中单轴力电耦合拉伸测试一维和二维微纳材料的空白，具有结构简单，性能可靠，安装简便，便于操作，应用范围广的特点，易于与其他测试方法联用实现大气压下的多场耦合测试。该发明样品台电路板加工精度高，特有的弹性导电凸起极大地确保了样品台电路板与力电耦合单轴拉伸装置优秀的电学接触，大大提高了电学测量的可靠性。该发明中与力电耦合单轴拉伸装置后托部分形状相适应的卡槽在装样过程中对拉伸装置起到限定固定作用，简化了装样过程。本发明充分地将纳米压入仪力和位移的高分辨率和力电耦合单轴拉伸装置的单轴拉伸性结合起来，在真实的大气环境下高精度地获取微纳材料力学性能的同时检测电荷输运性能的变化，可以揭示一维和二维纳米材料丰富的物理性能服役条件下可靠性，为一维和二维纳米材料在微机电系统以及半导体器件、传感器等诸多领域的开发设计提供珍贵的数据。

附图说明

[0017] 图1为本发明的整体结构主视图；

[0018] 图2为图1中基体主视图；

[0019] 图3为图1基座的俯视图；

[0020] 图4为图1样品台电路板的俯视图；

[0021] 图5为图1样品台定位片的俯视图；

[0022] 图6为图1中力电耦合单轴拉伸装置的俯视图

[0023] 图7为图1中绝缘盖片的俯视图。

[0024] 其中，1为基体、2为基座、3为固定螺丝、4为样品台电路板，5为样品台定位片、6为力电耦合单轴拉伸装置、7为绝缘盖片、8为连接螺丝、9为基体固定螺孔、10为环形通孔电极、11为导线、12为后端通孔电极、13为引线、14为限位槽、15为凸起、16为环形电极。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0026] 参考图1，本发明所述的一种用于装载力电耦合单轴拉伸装置的样品台通过机械加工和电路板制作技术共同加工而成，基体1是样品台的支撑架。样品台电路板4、样品台定位片5从下到上依次叠放在样品台底座2上，将底部的两个螺丝8固定，再将力电耦合单轴拉伸装置6装入样品台定位片5卡槽14内，然后将绝缘盖片7带凸起15的面向下盖在电耦合单轴拉伸装置6上，并确保与样品台定位片5上部两螺孔对齐，固定好上部的两个螺丝8，底座2由螺丝3固定于基体1正面。

[0027] 所述样品台电路板4前端表面具有4个环形通孔电极10相互间距很小，但要相互绝缘，其分布与力电耦合单轴拉伸装置6上的环形电极16一一对应，环形通孔电极10表面具有弹性导电凸起，这点非常重要，可以确保环形通孔电极10与环形电极15形成良好的电接触，样品台电路板4后端表面具有4个尺寸较大的通孔电极12，方便与外界电源连接，与环形通孔电极10通过导线11连接，导线11位于样品台电路板4内层，这样可以避免样品台定位片5导致四个电极间的短路。通孔电极12通过引线13与测试电源表连接。

[0028] 所述样品台定位片5与力电耦合单轴拉伸装置6后半部分相同形状的卡槽14，尺寸与力电耦合单轴拉伸装置6相符，确保力电耦合单轴拉伸装置6可以恰好嵌入到卡槽14内，起到对力电耦合单轴拉伸装置6具有限位作用，此时电耦合单轴拉伸装置6的环形电极16与样品台电路板4的环形电极10上下对齐。

[0029] 所述绝缘盖片7具有凸起15，凸起15的位置与卡槽14对齐，可以完全卡入卡槽14内，当螺丝8拧紧时，凸起15将力电耦合单轴拉伸装置6紧紧压向样品台电路板4，保证力电耦合单轴拉伸装置6的环形电极16与样品台电路板4的环形通孔电极10充分接触，确保良好的电接触，绝缘盖片7具有良好的电绝缘性和一定的弹性。

[0030] 所述基体1通过螺孔9与外界固定，螺孔9的尺寸与间距由所连接的基底确定，基体1具有一定的自重，保证整个样品台的稳定性。

[0031] 所述力电耦合单轴拉伸装置6为Hysitron公司发明的基于MEMS技术的力电耦合测试装置。

[0032] 以在Hysitron公司纳米压入仪(TI 950)中对ZnO纳米线大气压的原力电耦合性能测试为例，其具体实施方式如下所述：

[0033] 1.将生长在硅基底ZnO纳米线和力电耦合单轴拉伸装置6装入电子束/离子束双束聚焦离子束系统中(FIB)中，利用纳米机械手将ZnO纳米线转移到力电耦合单轴拉伸装置6样品区。利用离子束辅助沉积Pt将纳米线固定且与力电耦合单轴拉伸装置6的测试电极连接，使样品与力电耦合单轴拉伸装置6的电极之间导电。从FIB取出制备好样品的力电耦合单轴拉伸装置6。

[0034] 2.将样品台电路板4、样品台定位片5从下到上依次叠放在样品台底座2上，将底部的两个螺丝8固定，再将力电耦合单轴拉伸装置6装入样品台定位片5卡槽14内，然后将绝缘盖片7带凸起15的面向下盖在电耦合单轴拉伸装置6上，并确保与样品台定位片5上部两螺孔对齐，固定好上部的两个螺丝8，底座2由螺丝3固定于基体1正面。

[0035] 3.将基体1通过螺孔9固定在TI 950的样品台面上，将引线13与电源表相连接，关闭TI 950样品腔门。

[0036] 4.在TI 950光镜下找到力电耦合单轴拉伸装置6并调整到测试高度。

[0037] 移动样品台到压头下，设定需要力学加载曲线开始力学加载同时测量ZnO纳米线样品的电学性能，这样就可以获得ZnO纳米线样品在某特定应变下电学性质，实现对ZnO纳米线样品的力电耦合测试，完成在大气压下应变对ZnO纳米线电学的研究。