杂志俱乐部2010年1月:基于mems的实验纳米力学仪器

欢迎来到2010年1月号!在…问题上2007年5月，李晓东教授概述了一维纳米结构力学表征的现有实验方法。在这个问题中，我将沿着相同的路线讨论，但重点是微机电系统(MEMS)启用的实验方法。

随着一维纳米结构(如纳米线、纳米管、纳米带等)的广泛出现，近年来人们对其弹性、塑性和断裂等力学性能进行了大量的研究。然而，一个关键的问题是，实验数据在尺寸效应方面表现出较大的分散和有时的差异，实验和模拟之间存在很大的差距。Harold Park和合著者(MRS Bulletin 34,178, 2009)从实验和模型的角度对最新的技术进行了很好的回顾。对于弹性，精确测量纳米线的尺寸，晶体取向，在某些情况下，表面氧化厚度是非常重要的。对于塑性，有趣的问题包括位错与晶界/孪晶界之间的相互作用，脆性和韧性断裂之间的竞争，相变等。其他问题可以从由茱莉亚格里尔和魏蔡.为了回答所有这些问题，除了定量的应力应变测量外，还需要实时成像。

原位电子显微镜测试为探索这些问题提供了前所未有的机会。近年来，许多有前途的基于mems的测试阶段被开发出来，用于纳米结构的原位测试。本文简要回顾了纳米结构在测试阶段的驱动、负载传感和定位的各种设计和方法，并开放讨论。

驱动
一种方法是使用外部压电致动器。该方法利用了现有的可施加亚纳米运动分辨率的压电致动器。与压电致动器相关的典型问题除了对准问题外还包括迟滞和非线性。

另一种方法是采用片上MEMS执行器。热致动器和静电(梳状驱动)致动器是两个突出的候选，因为它们与常见的微加工方法兼容。热致动器结构紧凑、稳定，易于提供毫牛顿级的致动力;它们提供准位移控制。一个可能的缺点是无意中加热试样;热沉结构的发展在很大程度上缓解了这个问题。梳子驱动致动器在给定的致动电压下产生恒定的力，通常力的范围从几微牛顿到一毫牛顿。它们可以实现更大的旅行范围，可达数十微米。整个结构是相对柔顺的，这可能使它容易受到拉入不稳定。另一个潜在的缺点是悬浮效应，可能导致设备的平面外运动。

负载传感
典型的负载传感器包括在施加的负载下偏转的柔性构件。在MEMS中检测这种偏转的几种机制包括使用电子束直接观察，压电阻率测量和电容测量。使用电子束对负载传感器的观察妨碍了对试样的连续、实时观察。压阻式传感可以实现纳米牛顿分辨率的负载电子测量，但存在较大的热漂移。电容测量可以测量1纳米分辨率的位移和纳米牛顿分辨率的负载;它需要一个信号调理电路来消除寄生电容和电磁噪声。

标本的操作和定位
典型的方法包括纳米操作、介质电泳和直接生长。纳米机械臂可以在扫描电镜中挑选、操纵和定位这些结构到所需的测试平台。电子束(或聚焦离子束)诱导沉积碳或铂可用于焊接和固定试样。双向电泳已被用于操纵纳米结构，但排列是一个典型的问题。直接生长将是制备纳米力学表征样品的理想方法(尽管与今天的方法非常不同)。它不涉及可能对被测性能产生一些虚假影响的纳米焊接步骤。

所有报道的基于mems的仪器大致可以分为三类。第一个只有一个致动器(热或梳状驱动致动器)，在这种情况下，致动器也作为负载传感器(张建军，中国机械工程学报，2009,33 (2):481 - 481)。第二种类型包括外部致动器和微制造测试框架(Lu等，实验力学，2009)。第三个是集成了片上执行器和负载传感器(张勇等。微力学与微工程学报[j]， 2009)。近年来，基于mems的实验纳米力学仪器得到了迅速发展。在这里，我列出了三篇最近的代表性文章，一些早期的作品可以在其中找到，也可以在相关的讨论中找到2007年5月号.该技术在包括碳纳米管、半导体纳米线、金属纳米线和聚合物纳米纤维在内的各种一维纳米结构的机械测试中取得了成功。该技术本身也在不断发展，通过集成新的结构设计、制造工艺、信号调理等，以实现更好的精度和更多的功能。

基于mems的传感和驱动原理可以用于研究薄膜和生物细胞的机械响应。有关详情，请参阅有关这些主题的两篇评论(Haque和Saif，实验力学43,248,2003；刘志强等，实验力学49 (5)，2009)。