CN101464244B

CN101464244B - 应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置和方法

Info

Publication number: CN101464244B
Application number: CN2008102405168A
Authority: CN
Inventors: 韩晓东; 刘攀; 张跃飞; 岳永海; 张泽
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: US20100154557A1; US8069733B2; CN101464244A

Abstract

本发明涉及一种在透射电子显微镜中原位测量纳米材料力电性能的装置及方法。本发明利用光刻技术制作纳米材料样品，将其转移、固定到双金属片载网上，在双金属片上镀一层金属薄膜作为电极，用导线将电极引到透射电镜样品杆上，对绝缘环加热和对金属薄膜通电，使载网中的双金属片发生热膨胀弯曲变形，实现对固定在双金属片上的纳米材料拉伸或压缩变形，可以在原子点阵分辨率下，原位测量应力状态下单体纳米材料力电学性能与显微结构的相关性。本发明提供了一种针对目前半导体及信息工业占统治地位的自上而下技术(Top-Down)的有效而简单的应力状态下单体纳米材料原位实时动态的力学-电学-显微结构相关性测量的装置与方法。

Description

应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置和方法

技术领域：

本发明涉及一种在透射电子显微镜中原位测量纳米材料力电性能的装置及方法，更具体的应力状态下单体纳米材料原位实时动态的力学-电学-显微结构相关性测量的装置与方法。

背景技术：

透射电子显微镜在纳米科学和技术领域是最为有力的研究工具之一。透射电子显微镜的样品杆是用来支撑被检测样品的。纳米尺度的材料作为器件的基本结构单元，承载着信息传输，存储等重要功能。在半导体及信息工业中应用到的纳米功能材料，在应力场与电场的作用下，研究其微结构和尺寸效应对器件单元内纳米材料力学强度、电荷输运能力等性能的影响，这对器件的可靠性和实际应用具有非常重要的意义。

发明内容：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种在透射电子显微镜中原位测量纳米材料力电信号与微结构相关性的装置和方法。先制作承载纳米材料的装置，然后将纳米材料转移、固定到本装置上，在透射电子显微镜样品杆中对本装置加热，使装置上的双金属片受热膨胀，驱动双金属片发生弯曲变形，拉伸或压缩固定在其上的纳米材料，同时在双金属片上加载电压，实时记录纳米线在应力作用下，纳米材料弹塑性变形过程及断裂失效的方式以及纳米材料电学性能的改变等。借助透射电镜成像系统能原位记录纳米材料的变形过程，从原子尺度上揭示纳米材料的力电性能与微观结构变化的相关性。

本发明的装置：在一个表面镀绝缘漆的金属绝缘环上放置两个双金属片，所述的两个双金属片平行或呈V字形放置在金属绝缘环的同一平面上，每个双金属片的一端固定在金属绝缘环上面，另一端悬空在金属绝缘环内，两个双金属片的距离控制在0.002-1mm。

进一步地，其中一块双金属片换成劲度系数为k的弹簧片，一端的双金属片拉动纳米材料，纳米材料带动弹簧片产生垂直于弹簧片的位移x，记录纳米材料断裂过程中所受的应力(ε＝kx)及其产生的应变(σ＝Δl/L)，计算其杨氏模量Y＝ε/σ。

本发明提供了一种应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底上沉积一层牺牲层，旋涂一层光刻胶，利用光刻产生线条图形或者薄膜，蒸镀纳米材料后将衬底超声清洗，得到纳米材料；

2)让上述应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置的双金属片一面均匀地涂一层薄胶，将涂有薄胶的双金属片一面朝下，贴在垂直于纳米材料长度方向的衬底上，静置与衬底粘牢，腐蚀掉牺牲层，将双金属片连带纳米材料样品从衬底上释放下来。然后在去离子水内超声清洗除去杂质；

3)在经过步骤2)后载有纳米材料的上述应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置上旋涂一层光刻胶，光刻、曝光、显影，蒸镀一层金属薄膜在双金属片上，使纳米材料的两端夹在金属薄膜与双金属片的中间，超声清洗掉光刻胶。将金属薄膜电极用导线引出，连接到透射电镜样品杆上，置入透射电镜中；

4)通过透射电镜中找到纳米材料中感兴趣的区域，给透射电镜样品杆加热和通电，随着热台温度的升高，在通电的同时，双金属片由于热膨胀系数不同向外侧或内侧横向弯曲，固定在双金属片上的纳米材料被单向拉伸或压缩变形。

本发明具有如下优点：

1.本发明对透射电镜中承载纳米材料的装置进行了独特的结构设计，实现在透射电镜中原位拉伸压缩变形纳米材料，从最佳的晶带轴观测高分辨图像，实现X，Y两个方向最大角度的倾转，提供了一种纳米材料原位力电性能测试方法，具有性能可靠，安装方便，结构简单的特点。

2.本发明应用于准一维纳米线、二维纳米薄膜等纳米材料的力学性能研究，应用范围广，研究对象丰富。对于用光刻工艺做出来的纳米材料样品，能通过此种方法对其进行力电性能的原位观察监控。

3.本发明提供了一种简单易行的转移、固定纳米材料的方法，可以同时对纳米材料进行变形和通电测量，可以在原子点阵分辨率下，原位地测量应力状态下纳米材料的电学性能与显微结构相关性。

附图说明

图1镀过了牺牲层和光刻胶的衬底

图2衬底上的光刻胶图形

图3衬底上的纳米材料图形剖面图

图4衬底上的纳米材料图形平面图

图5承载纳米材料的装置连同纳米材料

图6双金属片上镀金属薄膜电极和引出金丝线

图7 40℃下纳米材料Cu薄膜的JEOL2010透射电镜照片

图8 50℃下纳米材料Cu薄膜的JEOL2010透射电镜照片

具体实施方式：

为了实现上面的目的，是通过如下的技术方案来实现的：

制作承载纳米材料的装置(图5)，在导热性良好的直径为3mm的金属环表面镀一层绝缘漆形成绝缘环，加工双金属片使其大小合适，两双金属片由两种热膨胀系数不同的材料组成，取两个双金属片平行或呈V字形排放地固定在绝缘环上，每个双金属片的一端固定在绝缘环上面，另一端悬空在绝缘环内，两个双金属片的距离控制在0.002-1mm。纳米材料的长度大于两个双金属片的间距，此装置能在透射电镜内最大角度范围地倾转。

制作纳米材料(图4)，在衬底上沉积一层牺牲层，旋涂一层光刻胶，利用光刻技术产生各种线条图形或者薄膜，在其上蒸镀纳米材料，将衬底放入丙酮中超声清洗，得到纳米线或薄膜等纳米材料图形。

将纳米线或纳米薄膜等纳米材料转移、固定到承载纳米材料的装置上(图5)。定义固定在绝缘环之上的双金属片上表面为正面，在正面均匀地涂一层环氧树脂AB薄胶，将正面朝下贴在垂直于纳米材料长度方向的衬底上，静置让双金属片与衬底粘牢。去掉牺牲层，让承载纳米材料的装置连带纳米材料从衬底上释放下来，清洗除去装置表面的杂质(图5)。

在承载纳米材料的装置上旋涂一层光刻胶，光刻、曝光、显影，蒸镀一层导电性良好的金属薄膜电极在双金属片上，使纳米材料的两端夹在金属薄膜电极与双金属片的中间(图6)。用压焊机将电极用导线引出，连接到透射电镜样品杆上，置入透射电镜中，给透射电镜样品杆加热和通电。

本发明通过对驱动装置加热加电，对纳米材料进行原位变形、通电测试，通过如下步骤实施：

1.选取导热性良好的直径为3mm的金属环，在表面镀一层绝缘漆，加工双金属片使其厚度在0.05mm-0.3mm之间，宽度在0.25mm-1mm之间，长度在1.5mm-2.5mm之间，两双金属片平行或呈V字形排放固定在绝缘环上，每个双金属片的一端固定在绝缘环上面，另一端悬空在绝缘环内，两个双金属片的距离控制在0.002-1mm(图5)。

2.在衬底1上沉积一层牺牲层2，旋涂一层光刻胶3(图1)，利用光刻产生各种线条或者薄膜(图2)，在其上蒸镀纳米材料，将衬底1放入丙酮中超声清洗，得到纳米线或薄膜等纳米材料4(图3、4)。

3.在搭有纳米材料4的双金属片7上均匀地涂一层薄胶5，将上表面涂有薄胶的双金属片7一面朝下，贴在垂直于纳米材料长度方向的衬底1上，静置让双金属片7与衬底1之间粘牢，在溶液中腐蚀掉牺牲层2，得到如图5所示的装置，超声清洗除去装置表面残留的杂质；

在装置上旋涂一层光刻胶，光刻、曝光、显影，蒸镀一层导电性良好的金属薄膜电极8，使纳米材料4的两端夹在金属薄膜电极8与双金属片7的中间，用丙酮超声清洗掉光刻胶。用压焊机将金属薄膜电极8用导线9引出，连接到透射电镜样品杆上，置入透射电镜中。

承载纳米材料的装置从下到上依次为：绝缘环，其厚度为0.15mm，双金属片，其由大的热膨胀系数的Mn₇₂Ni₁₀Cu₁₈合金和较小热膨胀系数的Ni₃₆合金压合而成，且将两双金属片热膨胀系数大的部分均在靠近两双金属片缝隙之处，热膨胀系数小的均在外侧，双金属片厚度在0.1mm之间，宽度为0.25mm，长度为2mm，两双金属片平行排放固定在绝缘环上，每个双金属片的一端固定在绝缘环上面，另一端悬空在绝缘环内，两双金属片7的上表面在同一水平面上，两个双金属片7的距离为0.05mm。

在硅片上用化学气相沉积的方法镀一层200nm厚的氧化硅薄膜。在氧化硅薄膜层上旋涂一层厚2μm的光刻胶，用光刻掩膜板作为蒙板，光学曝光显影。在其上蒸镀一层100nm厚的铜，将硅片再放入丙酮中，超声清洗5-10分钟。硅片上留下实验所需要的纳米铜材料，铜线条的长在250μm，宽度在2μm，厚度在0.1μm。

将双金属片正面朝下，让两个双金属片之间的缝隙垂直于纳米材料长度方向，然后贴在硅片上，静置让双金属片与硅片粘牢。在质量百分浓度为0.5％稀HF溶液中腐蚀1分钟，将双金属片连带纳米材料样品从硅片上释放下来。然后在去离子水内超声清洗5次，每次清洗2分钟，除去双金属片上的杂质。在装置上旋涂一层500nm的光刻胶，用光刻掩膜板作为蒙板，去掉双金属片上的光刻胶，电子束蒸镀一层导电性良好的金薄膜在双金属片上，光镜下观察到蒸镀的金属薄膜电极在双金属片之上，纳米材料的两端位于金薄膜与双金属片的中间层。用超声铝丝压焊机将薄膜电极用铝丝线引出，再将铝丝线焊接在带有加热通电功能的透射电镜样品杆上。

将纳米材料倾转到感兴趣的区域，对装置进行加热通电。从20℃到200℃逐渐升高温度，热双金属片发生弯曲变形，缓慢拉伸固定在其上的纳米铜材料，通过高分辨原位成像系统记录变形过程。同时通过样品杆的加电部分测量电学信号，从而来测量纳米材料在应力作用下的电学性能与微结构的相关性。

图7和图8分别为40℃、50℃不同温度下的同一样品的JEOL2010透射电镜照片，两边衬度黑的为双金属片，中间部分为厚度10nm纳米材料Cu薄膜，双金属片由于形变向左右两边运动，Cu薄膜上加载10V电压，从图片可以观察层错和孪晶的变化。

Claims

1.应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置，其特征在于：

在一个表面镀绝缘漆的金属绝缘环上放置两个双金属片，双金属片由两种热膨胀系数不同的材料组成，所述的两个双金属片平行或呈V字形放置在金属绝缘环的同一平面上，每个双金属片的一端固定在金属绝缘环上面，另一端悬空在金属绝缘环内，两个双金属片的距离控制在0.002-1mm。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其中一个双金属片换成弹簧片。

3.应用权利要求1所述装置进行应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)让上述应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置的双金属片一面均匀地涂一层薄胶，将双金属片的涂有薄胶的一面朝下，贴在垂直于纳米材料长度方向的衬底上，静置与衬底粘牢，腐蚀掉牺牲层，将双金属片连带纳米材料样品从衬底上释放下来，然后在去离子水内超声清洗除去杂质；

3)在经过步骤2)后载有纳米材料的上述应力状态下纳米材料力电性能与显微结构测量装置上旋涂一层光刻胶，光刻、曝光、显影，蒸镀一层金属薄膜电极在双金属片上，使纳米材料的两端夹在金属薄膜电极与双金属片的中间，超声清洗掉光刻胶，将金属薄膜电极用导线引出，连接到透射电镜样品杆上，置入透射电镜中；

4)通过透射电镜找到纳米材料中感兴趣的区域，给透射电镜样品杆加热和通电，随着热台温度的升高，在通电的同时，双金属片由于热膨胀系数不同向外侧或内侧横向弯曲，固定在双金属片上的纳米材料被单向拉伸或压缩变形；

5)通过高分辨原位成像系统记录变形过程，同时通过样品杆的加电部分测量电学信号，从而来测量纳米材料在应力作用下的电学性能与微结构的相关性。