氧化硅纳米线原位力学性能测试【推荐论文】 .doc

精品论文氧化硅纳米线原位力学性能测试张长辉1，张跃飞2，杜圆明3，马捷1，刘燕萍3（1. 北京工业大学材料科学与工程学院；52. 北京工业大学固体微结构与性能研究所；3. 太原理工大学机械工程学院）摘要：SiOx 纳米线作为一种良好的电绝缘性及光致发光材料，已经成为近年来的研究热点， 它在电子与光电子产业有广阔的应用前景。本文利用实验室自主设计与研制的扫描电子电镜10/扫描探针显微镜联合测试系统（SEM/SPM hybrid system）对 SiOx 纳米线进行原位压痕实验， 研究其力学性能。在研究范围内 SiOx 纳米线硬度值略小于体材料的硬度值，且随着压痕深度的增加而呈减小趋势。关键词：SiOx 纳米线，SEM/SPM 联合测试系统，原位压痕，硬度中图分类号：O46915In situ mechanical measurement of SiOx nanowireZhang Changhui1, Zhang Yuefei2, Du Yuanming3, Ma Jie1, Liu Yanping3 (1. College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology,Beijing,100124;202. Institute of Microstructure and Property of Advanced Materials,Beijing University ofTechnology,Beijing 100124;3. College of Mechanical Engineering,Taiyuan university of technology,Taiyuan,030024) Abstract: As one of the most important photoluminescence materials, SiOx nanowire has been a hot topic for the past few years. It will be widely used in the electronic and photoelectronic25industry.In this paper, a self-developed SEM/SPM hybrid system was used to perform the in situ indentation test for mechanical measurement of single SiOx nanowire. The research indicates that the hardness of SiOx nanowire is few smaller than that of bulk SiOx and it is gradual decreasing as the indentation depth increasing.Key words: SiOx nanowire; SEM/SPM hybrid system; in situ indentation test; hardness300引言从碳纳米管发现以来1，一维纳米结构材料凭借其在电学、光学、力学、热学、磁学等 多方面的优异特性，已经成为近年来的研究热点，并在通讯、传感、医药、能源等多个领域 都有广阔的应用前景2。作为微纳米功能器件的基本单元，一维纳米材料需要承载机械载荷，35传动力等，它的弹性模量、硬度、强度等力学性能参数，以及在外力作用下的力学响应方式 和失效形式将会影响器件的可靠性及使用寿命，所以一维纳米材料力学性能的研究是当前设 计和开发纳米器件的基本准则3,4。SiOx 是一种良好的电绝缘性及光致发光材料，其纳米线 已经作为微纳米器件的基本单元而广泛的应用于电子与光电子产业5。因此，SiOx 纳米线 在外加作用场下的力学性能及失效形式是评价这些微纳米器件使用寿命的一个重要因素。40目前 SiOx 纳米线已发展出多种制备方法，例如激光烧蚀法、溶胶凝胶法、热蒸发法、基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20091103120022）；北京市教委科技发展计划重 点项目（KZ201010005002）作者简介：张长辉（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向，纳米材料的力学性能通信联系人：张跃飞（1976-），男，副研究员，主要从事纳米材料力学性能原位电子显微学研究. E-mail:yfzhangbjut.edu.cn- 6 -和化学气相沉积法5、气-固反应法6,7等。而针对 SiOx 纳米线力学性能的实验以非原位研究为主，其方法主要包括微拉伸8、微弯曲9和微压痕10等。由于纳米尺度材料的夹持、操纵 的困难11，载荷、位移传感器测量精度的不同，以及实验条件的变化等影响因素，使得不 同实验所得到的结果不尽相同2,8。因此积累 SiOx 纳米线的力学性能数据，使其更加的精确、45系统，是目前 SiOx 纳米线力学性能研究的重要内容。本文利用自主设计与研制的扫描电子电镜/扫描探针显微镜联合测试系统（SEM/SPM hybrid system）对一维 SiOx 纳米线进行原位压痕实验，测量其纳米硬度。研究发现 SiOx 纳 米线的硬度值随着压痕深度的增加而逐渐减小，且 SiOx 纳米线的硬度值比宏观体材料的硬 度值小。501实验部分结合扫描电子显微镜（SEM）原位观测与扫描探针显微镜（SPM）探针操纵和定量力学 性能测量的优势，我们设计和研制了将 SPM 测试单元（图 1b）集成到 SEM 样品室内部的 集成仪器系统：扫描电子显微镜和扫描探针显微镜联合测试系统（The SEM/SPM hybrid system），如图 1a 所示，进行 SiOx 纳米线的力学性能的原位测试。联合系统中扫描电子显55微镜为 FEI 公司的 Quanta 250 型。该扫描探针显微测试单元根据 SEM 样品室的空间尺寸设 计，具有体积小、系统稳定、分辨率高的特点，可以方便的固定到 SEM 样品室内，同时保 持 SPM 样品台、微悬臂梁探针与 SEM 电子束呈 60°角度，使得扫描电子显微镜可以同时聚 焦到待测样品和探针针尖端，进行原位高分辨图像观察。60图 1.SEM/SPM 联合测试系统: (a)为 SEM/SPM 系统，(b)为 SPM 测试单元图Fig.1 The SEM/SPM hybrid system: (a) image of hybrid system; (b) image of SPM testing unit2结果与讨论2.1SiOx 纳米线的制备及形貌特征试验中 SiOx 纳米线使用简单的热蒸发，将单晶 Si 片放置的石墨坩埚中，在 1350高65温区蒸发，在 1000低温段区放置的 Si 片上生长，降温后可以看到低温区 Si 片上沉积白 色的物质为 SiOx 纳米线。样品的 SEM 形貌特征如图 2 所示，从图中 2(a)中可以看出生成的SiOx 纳米线长度可达几十微米以上，EDS 分析显示纳米线的组成成分为 Si 和 O 两种元素，从能谱分析结果可以看出 Si 和 O 两种元素的原子比例接近 1:1，如图 2（b）所示，样品中 包含有大量生长弯曲的纳米线，如如图 2（c）所示,内插的电子衍射花样显示为非晶态 SiOx，70高分辨照片也显示出非晶结构，如图 2（d）。图 2. SiOx 纳米线成分及结构表征：（a）SiOx 纳米线 SEM 图；（b）SiOx 纳米线 EDS 分析 图;(c) SiOx 纳米线 TEM 图及电子衍射花样;(d)SiOx 纳米线高分辨图Fig.2 The composition and structure of SiOx nanowires:(a)Typical SEM image of SiOx75nanowires;(b)EDS result of SiOx nanowires;(c)TEM image and the corresponding SAED pattern of SiOx nanowires;(d)HRTEM image of SiOx nanowire.2.2单根 SiOx 纳米线的原位压痕及硬度在原位压痕实验过程中，我们利用 SPM 探针对 SiOx 纳米线进行施加载荷，并通过扫描 电镜进行精确定位及原位观察。图 3 所示为 SPM 探针对 SiOx 纳米线施加载荷前后的 SEM80图片。图 3. SiOx 纳米线原位压痕实验过程(a)为 SiOx 纳米线压痕之前 SEM 图，(b)为 SiOx 纳米线压痕之后 SEM 图Fig.3 The process of in situ indentation testing of SiOx nanowire:85(a)、(b)The SEM image of SiOx nanowire before and after it was loading by probe扫描探针施加载荷的同时引起悬臂梁发生弯曲，使得光电信号产生变化，并且通过信号接收器输出，获得光电信号/压电信号曲线，如图 4a 所示。其中，光电信号与施加载荷成正 比，而压电信号表示压电陶瓷的位移，所以该光电信号/压电信号曲线可以转化为载荷/压痕 深度曲线，其转换公式如下所示：Fn =k n ×90DUT - BS × c osqh = dpie zo - dc其中 Fn 为法向作用力， k n 为悬臂梁法向弹性常数， DUT -B 为法向输出电压，q 为作用前 悬臂梁与样品平面之间的夹角，S 为悬臂梁的垂直敏感度，即 SPM 探针作用于硬质基体时信号曲线的斜率。 h 、 d pie zo 、 d c 分别为压痕深度、压电陶瓷的位移量和悬臂梁的偏转量。95由以上转换公式可得到压痕过程中的载荷/深度曲线，见图 4b。在压痕过程中，载荷随着压痕深度的增加而呈现近似线性增加，没有突变产生。图 4. SiOx 纳米线原位压痕实验结果(a)为 SiOx 纳米线压痕原始信号曲线，(b)为 SiOx 纳米线压痕载荷-位移曲线100Fig.4 The results of in situ indentation testing of SiOx nanowire(a) The original V-d curve recorded during the indentation test (b) Tipycal load/height curve of SiOx nanowire translated from (a)对于压痕实验及载荷/位移曲线12，根据硬度的定义，需先求的压痕投影面积，进而计cc算出材料的力学性能。压痕投影面积 Ac 为105A = e × h2式中，e 为常数，与探针的形状有关，hc 为压痕深度。本文中所使用的探针为 NSC15 探针，针尖夹角为 40°，求得e =0.42。根据定义，SiOx 纳米线的硬度值为H = Fm a xAc110115120图 5. SiOx 纳米线硬度随压痕深度变化Fig.5 The plot of hardness as a function of indentation depth图 5 所示为 SiOx 纳米线原位压痕实验所得硬度随压痕深度的变化图，SiOx 纳米线硬度 平均值为 6.14±0.25GPa，略小于 SiOx 体材料的硬度值(8.2GPa)13。这是因为纳米线的压痕 实验中扫描探针针尖/纳米线接触模式与针尖/平面基体接触模型不同，实现中选用了传统的 计算模型，会造成硬度值偏小14。看出当压痕深度为 91nm 时，SiOx 纳米线的硬度值为6.43GPa，随着压痕深度的逐渐增加，硬度值逐渐减小，深度达到 99nm 时，硬度值减小到5.82GPa。在此研究范围内，SiOx 纳米线的硬度值与压痕深度呈明显的依赖关系，由应变梯 度理论可知，压痕深度越小，在材料上产生的应变梯度越大，造成流变应力越大，从而使得 纳米线硬度越大15,16,17。在整个实验中，SiOx 纳米线的直径均在 600nm 以上，而压痕深度限制在 100nm 以下，二者比值小于 30%，因此基体效应可以忽略不计16。3结论利用自主设计并研制的扫描电子电镜/扫描探针显微镜联合测试系统对一维二氧化硅纳 米线进行原位压痕实验，通过分析得到其力学性能。实验表明，在研究范围内，由于应变梯125度的影响使得 SiOx 纳米线的硬度值随着压痕深度的增加而逐渐减小，表现明显的依赖性。另外传统计算模型选择使得 SiOx 纳米线的硬度值比宏观体材料的硬度值小。参考文献 (References)1301351401451501551601 Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbonJ. Nature，1991，354(1)：56-58.2 Yunxia Chen，Brian L. Dorgan，Jr. On the importance of boundary conditions on nanomechanical bendingbehavior and elastic modulus determination of silver nanowiresJ. 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