基于MEMS的TEM-SEM原位納米結(jié)構(gòu)拉伸實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、當(dāng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征尺度減小至納米尺度時(shí)，材料的物理性質(zhì)將表現(xiàn)出與體材料很大的差異，這就是納米尺度效應(yīng)。了解材料在納米尺度下的物理性質(zhì)對(duì)未來納米器件的研制是必要的。在對(duì)納米材料物理性質(zhì)眾多的研究手段中，對(duì)納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)加載研究是探索納米結(jié)構(gòu)物理本質(zhì)的手段之一。實(shí)驗(yàn)上對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)加載和測(cè)量極為困難。目前國(guó)際上主要利用AFM/探針技術(shù)和MEMS微執(zhí)行器技術(shù)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行TEM/SEM原位機(jī)械加載從而獲得納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。但目前國(guó)際上利用

2、AFM/探針技術(shù)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械加載的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尺寸較大、可控性差且非常復(fù)雜。相比之下MEMS執(zhí)行器具有可控性高、尺寸小、功耗低、等眾多優(yōu)點(diǎn)。但目前國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)利用MEMS技術(shù)對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行TEM/SEM原位力學(xué)加載的器件中由于集成了力學(xué)傳感結(jié)構(gòu)而使得結(jié)構(gòu)和測(cè)試系統(tǒng)都非常復(fù)雜;而且難以實(shí)現(xiàn)在原位加載的過程中對(duì)納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行同時(shí)表征。
　　 針對(duì)以上的問題，本論文設(shè)計(jì)并制備出了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制備、可用于SEM/

3、TEM原位納米結(jié)構(gòu)機(jī)械加載的MEMS器件，利用此器件對(duì)不同的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了TEM/SEM原位拉伸實(shí)驗(yàn)并表征其力學(xué)特性或者是拉伸過程中的電學(xué)特性，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所獲得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)MEMS器件提出改進(jìn)。研究?jī)?nèi)容具體包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)在前人的研究基礎(chǔ)上，搭建了單晶硅納米梁在TEM內(nèi)處于單軸拉伸狀態(tài)下晶格常數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而在TEM中利用選區(qū)電子衍射成像模式對(duì)處于拉伸過程中的單晶硅納米梁晶格常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，從而表征出處于拉伸

4、過程中的單晶硅納米梁晶格行為;并用單晶硅的晶格拉伸模型和位錯(cuò)模型對(duì)測(cè)量結(jié)果作出理論解釋。
　　 (2)針對(duì)目前國(guó)際上難以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和電學(xué)特性同時(shí)進(jìn)行表征或表征系統(tǒng)過于復(fù)雜的問題，設(shè)計(jì)并制備出適用于對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行SEM原位拉伸加載的、能在拉伸過程中對(duì)納米結(jié)構(gòu)電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制備的原位靜電拉伸芯片;通過納米操縱和組裝技術(shù)將Cu納米線以及SiC納米線組裝到此拉伸器件上并進(jìn)行了SEM原位拉伸試驗(yàn);分別獲得了C

5、u納米線和SiC納米線的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及在不同拉伸應(yīng)力下的(I)-(V)特性曲線。
　　 (4)本文還對(duì)Cu納米線以及SiC納米線的SEM原位拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論的探討和研究。通過結(jié)合這兩種納米線的TEM高分辨原子圖像以及相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果，以Cu納米線的表面氧化層電學(xué)阻隔效應(yīng)來解釋Cu納米線的非線性電學(xué)特性，并以SiC納米線在應(yīng)力作用下表面能級(jí)模型來解釋SiC納米線的顯著納米壓阻現(xiàn)象。
　　 (4)針對(duì)前面的靜電拉伸器