一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置製造方法
2023-04-29 07:14:56 2
一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置製造方法
【專利摘要】一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，利用該裝置並結合透射電鏡的顯微結構分析實現對納米材料變形過程中的顯微結構演化進行原位動態記錄，屬於納米材料力學性能-顯微結構一體化原位表徵領域。該拉伸裝置包括驅動裝置、支撐裝置和拉-壓力轉換裝置組成。拉伸裝置的驅動力由記憶合金彈簧提供，支撐裝置為金屬環，拉-壓力轉換裝置通過微細加工技術得到，將記憶彈簧對轉換裝置施加的壓力轉換為對樣品的拉伸力。對材料在特定溫度範圍內的面內加載可以通過調控記憶合金馬氏體相變的開始溫度和結束溫度。該拉伸裝置不會影響透射電鏡樣品杆的雙軸傾轉功能，可實現原子尺度下對變形過程中的顯微結構演化進行原位動態的觀察。
【專利說明】一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種工作溫度可調、在透射電鏡中工作，基於形狀記憶效應的變形裝置。該裝置與透射電鏡加熱杆相匹配，可以對納米線/薄膜施加面內應力，通過控制溫度實現樣品的可控變形；在高分辨透射電鏡中、雙軸傾轉條件下實現原子尺度材料力學性能-顯微結構一體化研究。本發明屬於納米材料顯微結構原位表徵儀器設備領域。
【背景技術】:
[0002]納米技術理論研究和納米材料開發應用研究近年來得到了快速的發展，並且在傳統材料、醫療器材、電子設備、塗料等行業得到了廣泛的應用，在實際中創造了巨大的價值。納米材料是微納器件的基本結構單元，其力學性能的穩定性決定了微納器件應用的穩定性。透射電子顯微鏡(以下簡稱透射電鏡)是現代化的大型分析儀器，可以在原子尺度對材料的顯微結構進行精確表徵，在材料學、物理、化學、生物學，特別是納米材料領域，有著廣泛的應用。材料的物理、化學、力學性能在很大程度上取決於材料中位錯運動的動力學、晶界的遷移、析出相的長大、化學成分的演變等，而這些顯微結構必須在原子尺度上進行研究。透射電鏡樣品杆是透射電鏡的重要附件之一，用來支撐待檢測樣品；樣品杆與極靴之間的空隙非常小，一般在幾毫米左右(取決於透射電鏡的生產廠家、型號)；在如此小的間隙實現對樣品杆進行改造，實現應力加載功能並進行材料力學性能和顯微結構演化的一體化表徵非常困難。
[0003]國際上多家公司在該方面投入了大量的人力、物力和財力進行研發，目前已有的商業化樣品杆有Gatan公司的654型拉伸樣品杆,Hystron公司的PI95透射電鏡專用納米壓痕儀等，可以實現在透射電鏡中拉伸或壓縮納米材料。在原子尺度對材料的顯微結構進行研究要求透射電鏡樣品杆及樣品能繞α軸和β軸進行傾轉。而目前這些商業化樣品杆只能實現繞α軸上的單軸傾轉。對於低指數取向的樣品，繞α軸進行單軸傾轉，有一定機率獲得材料的原子像(Physical Review Lettersl02, 045503, 2009),但是對於高指數取向的樣品，利用單軸傾轉樣品則只能在納米尺度進行研究，不能精確反映材料的微觀機制。
[0004]為了解決現有的技術難題，北京工業大學韓曉東教授發展了一系列獨特的技術，實現了同時在透射電鏡中施加面內加載和雙軸傾轉，如:基於碳支持膜(AdvancedMaterialsl9, 2112-2118, 2007 ；200820124520.3 ；201210546691.6)和基於雙金屬的熱驅動變形技術(Advanced Functional Materialsl7, 3435-3440, 2007 ；NanoLettersl3, 3812-3816，2013 ；200610144031.X ；200610057989.5 ；200920108973.1 ；201110169007.2)。
[0005]其中基於雙金屬的熱驅動變形技術，其工作原理是在加熱時，由於雙金屬的熱膨脹係數不同導致其產生彎曲變形，從而實現拉伸納米材料的目的。這種熱雙金屬變形裝置尺寸的非常小，與透射電鏡樣品杆前段的樣品載臺(0=3mm)相匹配，不會影響樣品杆的雙軸傾轉，解決了面內加載和雙軸傾轉不能同時實現的技術難題。[0006]雙金屬片的長度(>1000 μ m)與樣品變形位移(〈I μ m)的比值非常大，可以將材料的變形近似等同於單軸拉伸變形。將樣品搭載在雙金屬片上，在向透射電鏡轉移過程中，遇到溫度變化則雙金屬片有可能將樣品拉斷。為了解決該問題，北京工業大學韓曉東教授課題組通過一種特殊設計的裝置、將目標溫度和室溫之間溫度差所產生的位移預留出的方法實現了特定溫度下的變形(201220320134.8)。該技術的實現需對樣品變形過程中的位移進行精確計算，並且由於預留的位移非常小，其對加工精度的要求非常高。
[0007]因此發展一種當溫度超過某一閾值後才開始變形的裝置，且具有加工簡單、不影響透射電鏡樣品杆雙軸傾轉的特點，仍是本領域亟待發展的裝置、方法之一。該技術可以有效解決樣品從製備間到透射電鏡轉移過程中被拉斷的現象。同時，該技術的發展同樣適用於研究材料在特定溫度下的變形機制。
【發明內容】
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[0008]針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種通過控制加熱溫度實現驅動力受控輸出，並可在透射電鏡雙軸傾轉條件下單軸拉伸變形材料的裝置。該裝置可應用於納米材料在特定溫度範圍內、在原子尺度下的力學性能-顯微結構一體化研究。
[0009]該拉伸臺尺寸與透射電鏡載網尺寸一致(Φ =3_)，配合透射電鏡雙傾熱杆，在電鏡中可實現大角度雙軸傾轉(±20° -±70°，取決於透射電鏡型號和樣品杆型號)。通過透射電鏡配備的CCD圖像採集系統，能夠實施獲得不同應變、低正帶軸條件下的清晰原子像。
[0010]一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其特徵在於:該裝置由驅動裝置、支撐裝置和拉-壓力轉換裝置組成；驅動裝置為記憶合金彈簧，以下簡稱彈簧；該彈簧一端固定在金屬環上，另一端與拉-壓力轉換裝置粘結；支撐裝置為金屬環；拉-壓力轉換裝置包括懸臂梁、第一拉伸梁、第一載物臺、第二載物臺、第二拉伸梁、支撐梁，懸臂梁一側設有凸出的接觸點，通過該接觸點與彈簧的一端粘結，懸臂梁一側是第一拉伸梁，第一拉伸梁頂端是第一載物臺，第一載物臺與第二載物臺成中心對稱分布，第二載物臺通過第二拉伸梁連接支撐梁，支撐梁與懸臂梁平行設置在剛性環中，兩者之間設有第一拉伸梁、第一載物臺、第二載物臺和第二拉伸梁；彈簧和剛性環固定於金屬環上。
進一步，所述彈簧，其材質為N1-T1、Cu-Zn-Al或Fe-Mn-Si，厚度在50-100 μ m之間。 進一步，所述的金屬環材質為銅、鑰或合金，厚度在25-30 μ m之間。
進一步，所述的拉-壓力轉換裝置，其材質為金屬、合金或陶瓷；厚度在50-100 μ m之間。
進一步，拉-壓力轉換裝置通過刻蝕技術或半導體工藝加工製得。
一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其特徵在於拉伸臺包括支撐環部分、驅動部分、拉-壓轉換部分，所述的支撐部分是金屬環I ;驅動部分是記憶合金彈簧2(以下簡稱為彈簧)，該彈簧2 —端固定在金屬環I上，另一端與拉-壓轉換裝置連接，可通過馬氏體相變或逆相變實現自由伸縮；拉-壓轉換部分是通過精密刻蝕技術或半導體工藝在剛性較好的金屬片(如:鑰)上製得的裝置3，該拉-壓轉換裝置3通過導電AB膠粘貼在金屬環I平面上端，與金屬環I平行放置。拉-壓轉換裝置3依次包括懸臂梁4、接觸點5、第一拉伸梁6、第一載物臺7、第二載物臺8、第二拉伸梁9、支撐梁10。懸臂梁4 一側1/3位置處為凸出的接觸點5，與彈簧2的一端通過導電AB膠粘結，是彈簧2受力部位，與接觸點5關於懸臂梁4對稱位置的是第一拉伸梁6，拉伸梁6頂端是第一載物臺7，與其成中心對稱分布的是第二載物臺8和第二拉伸梁9，第二拉伸梁9連接的是支撐梁10，支撐梁10與鑰環3兩端直接連接。第一、第二載物臺7、8要保持絕對的水平，保證單軸水平拉伸，然後將拉伸臺置於掃描電鏡中，用聚焦離子束精確製備樣品，並將其粘貼在載物臺7、8上，用於透射電鏡研究。
[0011]當該樣品臺放在透射電鏡中加熱時，隨著溫度的升高，達到記憶合金的馬氏體相變點時(AS點)，記憶合金開始相變，彈簧2開始伸長，彈簧2的一端頂觸接觸點5，使其移動，接觸點5通過懸臂梁4傳動第一拉伸梁6移動，拉伸梁帶動兩個載物臺8、9拉伸，此時開始對樣品進行拉伸變形。
[0012]同時，材料的變形速率可以通過控制加熱速率，進一步控制馬氏體相變速率和彈簧的變形速率進行調節。配合透射電鏡CCD成像系統，可以原位記錄樣品在變形過程中的顯微結構演化規律，從納米尺度和原子尺度揭示材料的變形機理。
[0013]前面所述的金屬環I，整體幾何結構為外徑為3mm的圓形，內徑為2mm,內側幾何結構為馬蹄狀，「馬蹄臺」處用於固定記憶合金彈簧。金屬環的材質為導電、導熱、熱膨脹係數較小的金屬，如鉻、鈦、鎢、鋯、鑰等等，金屬環的厚度在25-30 μ m之間。
[0014]前面所述的驅動裝置為記憶合金彈簧(具體材質如NiTi合金，但不限於)，有2-3個螺距，自由長度1.2_，同時可對記憶合金彈簧進行訓練，使其伸長長度在0.4-1_範圍內可調；降溫時，記憶合金彈簧發生逆馬氏體所產生的變形可以恢復；彈簧未拉伸處於自由長度時，其橫向寬度1.2_，受熱變形伸長後，其橫向寬度變為0.8-1.2mm ;其中可根據所拉伸材料變形範圍的要求(如要求在特定溫度範圍內拉伸或要求特定的變形量等)調整N1、Ti元素含量，改變As、Af溫度，以滿足拉伸材料應變所需的溫度範圍。同時利用NiTi合金在升、降溫過程中的正向和逆向馬氏體相變行為，可以控制彈簧伸長、壓縮，實現對材料的循環拉伸變形。
[0015]前面所述的拉伸承載裝置是通過精密刻蝕技術或半導體工藝製備的承載拉伸樣的剛性樣品環，其底端開口寬1.2mm，環形寬0.15mm ;懸臂梁4寬0.1mm ;接觸點5長
0.05mm,寬出懸臂梁0.05mm,拉伸梁6長0.3mm,寬0.15mm ;拉伸梁9長0.25mm,寬0.15mm ；載物臺7、載物臺8長0.15mm,寬0.1mm ;第一載物臺7與第二載物臺8、第一載物臺7與第二拉伸梁9、載物臺8與拉伸梁6之間的距離均為0.1mm，支撐梁寬0.1mm。該環的厚度在50-100 μ m，選擇導電、導熱性好、熱膨脹係數低的剛性金屬材料，以減少由於熱膨脹和拉伸時樣品環變形所引起的漂移。
[0016]本發明的一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置的原位動態過程的測試通過如下步驟實施完成:
[0017]1、首先將記憶合金彈簧驅動裝置、拉-壓轉換裝置粘貼固定在金屬環上，把透射電鏡微型樣品粘貼在載物臺上，用聚焦離子束(Focused 1n Beam，以下簡稱FIB)對樣品進行微加工，製備寬度約為I μ m，厚度為50nm的透射電鏡拉伸樣品。將裝載樣品的拉伸裝置放入透射電鏡加熱杆中。
[0018]2、雙軸傾轉樣品杆至樣品的正帶軸下，然後通過加熱杆對樣品臺進行加熱，當加熱到彈簧的馬氏體相變點時，彈簧開始伸長，並驅動拉伸梁，從而拉伸樣品。
[0019]3、通過高分辨透射電子顯微鏡的實時記錄拉伸過程中原子尺度的結構演變。[0020]本發明有如下優點:
本發明所用的驅動裝置為記憶合金彈簧，可以實現在定溫度下開始工作的優點，有效的避免了樣品在製備和轉移過程中被拉斷的現象；
該驅動裝置的工作溫度可以通過調節Ni和Ti的成分比例進行控制，可以將該透射電鏡單軸拉伸裝置的應用拓展到研究納米材料在定溫度、在原子尺度下的拉伸變形行為並揭示其機制；
該透射電鏡單軸拉伸裝置可以實現單軸拉伸的功能，並且不影響透射電鏡的雙軸傾轉功能。
本發明的尺寸和通常所用載網尺寸相當(Φ=3_)，可以方便的裝入各種型號的透射電鏡中。
本發明的驅動裝置所採用的NiTi記憶合金彈簧具有形狀記憶性和較大的可恢復變形，當升溫至馬氏體相變點可以實現拉伸材料，當降溫至馬氏體逆相變點可以卸載施加在樣品上的力，從而實現對樣品循環伸縮的功能，適應於在原子尺度原位動態的研究材料的低周疲勞性。
本發明主要用於納米材料的力學實驗，包括各種金屬、半導體納米線、納米薄膜的力學性能-顯微結構一體化研究，研究對象豐富、應用範圍廣闊。
【專利附圖】
【附圖說明】
圖1原位TEM拉伸臺的俯視圖
[0021]圖2Nb/NiTi納米複合材料原位拉伸示意組圖
[0022]附圖標號如下:
[0023]1、金屬環2、記憶合金彈簧3、剛性樣品環4、懸臂梁
5、接觸點6、第一拉伸梁7、第一載物臺8、第二載物臺9、第 二拉伸梁10、支撐梁11、馬蹄臺
【具體實施方式】:
下面結合附圖對本發明做具體描述說明:
[0024]一種研究納米材料在可控溫度範圍內的力學性能的原位TEM循環拉伸臺，其特徵在於拉伸臺包括支撐環部分、驅動部分、拉伸承載部分，所述的支撐部分是金屬環1，其內側幾何結構為馬蹄狀，「馬蹄臺」處為固定搭載彈簧2 ;驅動部分是NiTi記憶合金彈簧2，記憶合金彈簧2 —端固定在金屬環I上，另一端與接觸點5通過導電AB膠粘結，可隨溫度變化自由伸縮；拉伸承載部分是通過精密刻蝕技術或半導體工藝製備的承載拉伸樣的剛性樣品環3，該樣品環3通過AB膠粘貼在金屬環I平面上端，與金屬環I平行放置。剛性樣品環3依次包括懸臂梁4、接觸點5、第一拉伸梁6、第二載物臺7、第一載物臺8、第二拉伸梁9、支撐梁10 ;垂直懸臂梁4的中線位置一側為凸出的接觸點5，與彈簧2的一端通過導電AB膠粘結，是彈簧2接觸受力部位，與接觸點5關於懸臂梁4對稱位置的是第一拉伸梁6，拉伸梁6頂端是第一載物臺7，其可沿軸向受力移動，與其成中心對稱分布的是第二載物臺8和第二拉伸梁9，第二拉伸梁9連接的是支撐梁10，支撐梁10與鑰環3兩端直接連接。第一、第二載物臺8、9要保持絕對的水平，保證單軸水平拉伸，然後將拉伸臺至於掃描系統中，用FIB精製粘貼在載物臺7、8上的樣品。當該樣品臺放在透射電鏡中加熱時，隨著溫度的升高，達到NiTi記憶合金的相變點時(AS點)，NiTi開始相變，彈簧2開始伸長，彈簧2開始頂觸接觸點5，使其移動，接觸點5通過懸臂梁4傳動拉伸梁6移動，拉伸梁帶動兩個載物臺
8、9拉伸，兩者之間的距離開始變大，此時開始對樣品進行拉伸變形。同時，可調的加熱速度可以控制NiTi彈簧的伸長速率，進而控制樣品的變形速率。然後配合透射電鏡CCD成像系統，原位記錄樣品的變形過程與結構信息，從納米尺度和原子尺度解釋材料的變形機理。
[0025]圖2是納米複合材料利用該拉伸臺在40_60oC溫度範圍內進行的原位拉伸實驗，a-c為系列拉伸圖片，a圖是原始未拉伸狀態的圖，b圖是拉伸過程中馬氏體形核的圖(圖中灰黑色板條狀)，附圖是對應的馬氏體衍射斑，c圖是完全形成馬氏體的圖(圖中灰黑色板條狀)，附圖是對應的馬氏體衍射斑。由此看出，該拉伸臺可以在原位拉伸，並得到較好的結果O
【權利要求】
1.一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其特徵在於:該裝置由驅動裝置、支撐裝置和拉-壓力轉換裝置組成；驅動裝置為記憶合金彈簧，以下簡稱彈簧；該彈簧一端固定在金屬環上，另一端與拉-壓力轉換裝置粘結；支撐裝置為金屬環；拉-壓力轉換裝置包括懸臂梁、第一拉伸梁、第一載物臺、第二載物臺、第二拉伸梁、支撐梁，懸臂梁一側設有凸出的接觸點，通過該接觸點與彈簧的一端粘結，懸臂梁一側是第一拉伸梁，第一拉伸梁頂端是第一載物臺，第一載物臺與第二載物臺成中心對稱分布，第二載物臺通過第二拉伸梁連接支撐梁，支撐梁與懸臂梁平行設置在剛性環中，兩者之間設有第一拉伸梁、第一載物臺、第二載物臺和第二拉伸梁；彈簧和剛性環固定於金屬環上。
2.根據權利要求1所述的一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其中，所述彈簧，其材質為N1-T1、Cu-Zn-Al或Fe-Mn-Si，厚度在50-100 μ m之間。
3.根據權利要求1所述的一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其中，所述的金屬環材質為銅、鑰或合金，厚度在25-30 μ m之間。
4.根據權利要求1所述的一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，其中，所述的拉-壓力轉換裝置，其材質為金屬、合金或陶瓷；厚度在50-100μπι之間。
5.根據權利要求1所述的一種透射電鏡用基於形狀記憶效應的原位單軸拉伸變形裝置，拉-壓力轉換裝置通過刻蝕技術或半導體工藝加工製得。
【文檔編號】G01N3/02GK103884585SQ201410109395
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月23日 優先權日:2014年3月23日
【發明者】毛聖成, 臧科濤, 王曉冬, 韓曉東, 李海鑫, 孫世鐸, 向思思, 張澤 申請人:北京工業大學