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《微納米力學(xué)和納米壓痕表征技術(shù)》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、WORD完美格式微納米力學(xué)及納米壓痕表征技術(shù)摘要：微納米力學(xué)為微納米尺度力學(xué),即特征尺度為微納米之間的微細結(jié)構(gòu)所涉及的力學(xué)問題[1]。納米壓痕方法是通過計算機控制載荷連續(xù)變化，并在線監(jiān)測壓深量[2]，適用于微米或納米級的薄膜力學(xué)性能測試，本實驗采用Oliver–Pharr方法研究了Al2O3薄膜，附著在ZnS基底，得到了Al2O3薄膜的力學(xué)性能。關(guān)鍵詞：微納米力學(xué)納米壓痕楊氏模量硬度0引言近年來,隨著工業(yè)的現(xiàn)代化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化,以及高新技術(shù)和國防技術(shù)的發(fā)展,對各種材料表面性能的要求越來越高。20世紀80年代,現(xiàn)代表面技術(shù)被國際科技界譽為最具發(fā)展前途的十
2、大技術(shù)之一。薄膜、涂層和表面處理材料的極薄表層的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和材料內(nèi)部的性能常有很大差異,這些差異在摩擦磨損、物理、化學(xué)、機械行為中起著主導(dǎo)作用,如計算機磁盤、光盤等,要求表層不但有優(yōu)良的電、磁、光性能,而且要求有良好的潤滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學(xué)腐蝕、組織穩(wěn)定和優(yōu)良的力學(xué)性能。因此,世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學(xué)、機械性能及其檢測方法的研究。[3]同時隨著材料設(shè)計的微量化、微電子行業(yè)集成電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,傳統(tǒng)材料力學(xué)性能測試方法已難以滿足微米級及更小尺度樣品的測試精度,不能夠準確評估薄膜材料的強度指標和壽命;另外在材料微結(jié)構(gòu)研
3、究領(lǐng)域中,材料研究尺度逐漸縮小,材料的變形機制表現(xiàn)出與傳統(tǒng)塊狀材料相反的規(guī)律,以上趨勢要求測試儀器具有高的位置分辨率、位移分辨率和載荷分辨率,納米壓痕方法能夠滿足上述測試需求。[4]現(xiàn)在，薄膜的厚度己經(jīng)做到了微米級,甚至于納米級,對于這樣的薄膜,用傳統(tǒng)的材料力學(xué)性能測試方法己經(jīng)無法解決。納米壓痕試驗方法是一種在傳統(tǒng)的布氏和維氏硬度試驗基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的力學(xué)性能試驗方法。它通過連續(xù)控制和記錄樣品上壓頭加載和卸載時的載荷和位移數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進行分析而得出材料的許多力學(xué)性能指標,壓痕深度可以非常淺，壓痕深度在納米范圍,也可以得到材料的力學(xué)性能，這樣該方法
4、就成為薄膜、涂層和表面處理材料力學(xué)性能測試的首選工具,如薄膜、涂層和表面處理材料表面力學(xué)性能測試等。1納米力學(xué)簡介1.1納米材料納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子與宏觀體系之間的納米粒子所組成的材料，是把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100nm以下尺寸的材料。1.2納米材料分類納米材料分類：按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為:1零維：在空間三維尺度上均在納米尺度，如納米尺度顆粒，原子團簇；2一維：在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲，納米棒，納米管等；3二維：在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜，多層
5、膜，超晶格等。1.3納米材料特性及其基本單元納米材料的基本單元：團簇、納米微粒、納米管、納米帶、納米薄膜、納米結(jié)構(gòu)。專業(yè)知識編輯整理WORD完美格式納米材料有下列基本特性：1量子尺寸效應(yīng)2小尺寸效應(yīng)3表面效應(yīng)4庫侖堵塞和宏觀量子隧道效應(yīng)5介電限域效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)是指對于介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中的連續(xù)的能帶分裂為分立的能級，能級間的距離隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(LUM
6、O)，能隙變寬現(xiàn)象，稱為量子尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長(物質(zhì)波的波長)、超導(dǎo)態(tài)的相干長度（能夠發(fā)生干涉的最大光程差）或與磁場穿透深度相當(dāng)或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常的現(xiàn)象。表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學(xué)性質(zhì)的變化。1.4納米材料的特殊性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì)是指所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色
7、的鉑（白金）變成鉑黑，因為金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。特殊的熱學(xué)性質(zhì)是指固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級時尤為顯著。特殊的磁學(xué)性質(zhì)是指小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑
8、力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，可制作高貯存
