基于光学与探针技术的微纳米固体实验力学研究进展.pdfVIP

第31卷第6期 固体力学学报 V01．31No．6 CHINESE OFSOLIDMECHANICS 2010年12月 JOURNAL December2010 基于光学和探针技术的微纳米固体实验力学研究进展。 李喜德“ 苏东川 曾杜鹃 孙立娟 (清华大学航天航空学院力学系，北京，100084) 摘 要本文综述了近期微纳米固体实验力学在检测技术和设备平台方面的进展。尤其是基于光学和扫描探 针平台的实验技术、方法和相关应用．探讨了不同检测技术的优势以及局限性，涉及微纳米实验力学检测中夹持、 加载以及微力与微变形的检测与识别．通过相关的研究事例，介绍巧妙、创新的检测技术和系统在微纳米实验中的 重要性，以及微尺度检测中所特有的检测系统与检测对象问的耦合关联等特点． 关键词微纳米力学，光学检测，扫描显微镜，探针，变形测量．微力测量，力学性能 象的特征尺度在亚微米以下的实验仍然是极其困 0 引言 难的． 目前，面对尺寸极度减小的检测对象，微纳米实 微纳米尺度结构作为微纳器件的基本建构模块 验力学发展了两类主要的检测技术，其一是基于传 在包括从微纳光电子到微纳机电等领域获得了广泛 统的材料力学式的测量技术和方法，其二则是基于 地应用，深入理解这些微结构基本的力学特性和行 光学和图像处理的检测技术和方法．前者中典型的 为成为其在各领域成功应用的重要议题．在过去的 检测方法如纳米压痕‘“…、弯曲‘3。…、拉伸‘7”1和振动 二十年中，人们在微纳米器件的设计和制造、微纳米 测量等[1“”]．其中，微纳米压痕方法比较单一，主要 材料的性能测试和表征等方面投入了巨大的努力， 有载荷一位移曲线法和连续刚度测量法．而在弯曲检 并取得了许多重要的进展．例如，就力学领域而言， 测技术中则包含了微桥方法、鼓膜方法、薄膜及薄板 从上世纪80年代对细观、90年代对微观到本世纪弯曲法以及微悬臂弯曲法等．对于常用的拉伸检测 初以来对纳观尺度的结构和材料的力学性能研究， 则包含了自持膜拉伸(freestandingfilm)和带基底 分别在理论、计算和实验方向均取得了重要的进展． 的薄膜拉伸．在这一类检测技术中，如下几个典型 表现在理论方面，借助从连续介质力学到量子力学 的实验具有重要的代表性．它们是：Stolken等口3的 的不同理论和原理，发展了基于原子势的连续介质 薄膜弯曲实验，Fleck等口]的细丝拉伸和扭转实验， 力学理论、纳米尺度的连续膜理论以及应变梯度塑 性理论等，而在数值计算和模拟方面则发展了结合 Saip们的基于芯片上的薄膜拉伸实验，以及Yu等 有限元、分子动力学及第一性原理的各种跨尺度计 基于AFM探针的多壁碳纳米管拉伸实验等[12’1“． 算方法，如准连续介质算法、晶格材料点方法以及原 子尺度有限元等．与理论分析和数值计算相比，微 料在不同的变形模式下其力学性能存在明显的尺度 纳米尺度实验力学的进展要困难的多。因为微纳米 效应，所采用的实验方法充分体现了宏观材料力学 尺度下的实验在需要完整、清晰的检测原理和方法 检测模式在微纳米尺度下的应用；Sharpe实验的重 的同时，还需要借助基本的技术和检测平台，而在 要性在于其将薄膜表面的变形测量用光学衍射条纹 小尺度下这是极具挑战性的课题．因此，在实验研究 场来确定，这一方法至少可使应变的测量精度比基 领域，其发展经历了检测对象