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2010年1月:基于mems的实验纳米力学仪器
欢迎来到2010年1月刊!在关于2007年5月，李晓东教授概述了现有的一维纳米结构力学表征的实验方法。在这一期中，我将沿着同样的路线讨论，但重点是微机电系统(MEMS)所实现的实验方法。
近年来，随着一维纳米结构(如纳米线、纳米管、纳米带等)的出现，人们对其弹性、塑性和断裂等力学性能进行了大量研究。然而，一个关键的问题是，实验数据表现出较大的散点，有时在尺寸效应方面存在差异，实验与模拟之间存在很大的差距。Harold Park及其合著者(MRS Bulletin 34, 178, 2009)从实验和建模的角度对最先进的技术进行了很好的回顾。对于弹性而言，精确测量纳米线的尺寸、晶体取向以及某些情况下的表面氧化层厚度是非常重要的。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，脆性断裂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而且魏蔡．为了回答这些问题，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，基于mems的纳米结构原位测试技术已经得到了广泛的应用。各种设计和方法的驱动，负载传感和定位的纳米结构在测试阶段进行了简要的回顾和开放的讨论。
驱动
一种方法是使用外部压电驱动器。该方法利用了现有的压电驱动器，可以施加亚纳米运动分辨率。与压电作动器相关的典型问题除了对齐问题外，还包括滞后和非线性。
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者，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，容易提供毫牛顿驱动力;它们提供准位移控制。一个可能的缺点是样品的意外加热;热沉结构的发展在很大程度上缓解了这个问题。梳状驱动器在给定的驱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，最高可达数十微米。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移动。
负载传感
典型的负载传感器包括在施加载荷下偏转的柔性构件。在MEMS中检测这种偏转的几种机制包括使用电子束的直接观测、压阻测量和电容测量。使用电子束对负载传感器的观察阻止了对试样的连续、实时观察。压阻式传感器能以纳米牛顿的分辨率对负载进行电子测量，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
典型的方法有纳米操作、间电泳和直接生长。纳米操纵器可以在扫描电镜内使用，以挑选、操作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。间电泳已被用于操纵纳米结构，但排列通常是一个问题。直接生长将是制备样品进行纳米力学表征的理想方法(尽管在今天有很大的不同)。它不涉及纳米焊接步骤，可能会对被测性能造成一些虚假影响。
所有报道的基于mems的仪器可以大致分为三类。第一种只有一个驱动器(热驱动器或梳状驱动器)，在这种情况下，驱动器也可以作为负载传感器(杨晓明，张晓明，杨晓明，2009)．第二类包括一个外部驱动器和一个微加工测试框架(卢等，实验力学，2009)．第三种是集成系统，具有片上执行器和负载传感器(张等。微力学与微工程19,075003,2009)．基于mems的实验纳米力学仪器近年来发展迅速。在这里我列出了三篇最近的代表性文章和一些早期的作品，可以在其中找到，也可以在相关的讨论中找到2007年5月号．该技术在碳纳米管、半导体纳米线、金属纳米线和聚合物纳米纤维等多种一维纳米结构的力学测试中取得了成功。随着新的结构设计、制造工艺、信号调节等的集成，技术本身不断发展，以实现更好的精度和更多的功能。
相同的基于mems的传感和驱动原理可用于研究薄膜和生物细胞的机械响应。有关这些主题的详细信息，请参阅两篇评论(Haque和Saif，实验力学43,248,2003；Loh等，实验力学49,105,2009)．
评论
直接的经济增长
嗨勇:
谢谢你在j俱乐部提出这些有趣的问题。我对您关于“直接生长”制备纳米力学表征样品的评论非常感兴趣。这么说，你的意思是直接在基于mems的仪器中生长/合成纳米结构，以便立即进行测试吗?如果是这样，考虑到纳米结构的生长和合成是一个越来越被理解的领域，通过各种MEMS平台进行纳米力学测试，你能解释为什么今天直接生长如此困难吗?
谢谢,
哈罗德
哈罗德，谢谢你
嗨,哈罗德,
谢谢你提出这个问题，这是一个与纳米力学测试相关的重要问题。你说得很对，纳米结构的合成目前已经得到了很好的理解和控制。近十年来，碳纳米管的化学气相沉积(CVD)、电弧放电和激光烧蚀法、半导体纳米线的化学气相沉积法、金属纳米线的电沉积和固相法以及聚合物纳米纤维的静电纺丝法等已经发展起来。但是每个合成过程都需要特定的设置、环境、温度范围等，这些都是MEMS器件不容易满足的。例如，电弧放电法(生产已知的最高质量的碳纳米管)涉及石墨阴极和极高的温度。此外，纳米结构必须在MEMS器件的两个终端之间进行定位和良好对齐，这就提出了更多的挑战。例如，即使是发展良好的静电纺丝技术，也很难在MEMS器件上沉积一段聚合物纳米纤维。
通常MEMS器件由多晶硅或单晶硅(SCS)制成，其合成温度限制在~800 K(多晶硅的再结晶温度)。CVD是一种在多晶硅和SCS器件上生长碳纳米管的可行方法。对于SCS器件，采用外延方式在两个<111>的侧壁之间合成了硅纳米线。下面我列出了两篇关于碳纳米管的CVD生长和硅纳米线的外延生长的论文。随着纳米结构合成技术的发展，其他类型的半导体纳米线和金属纳米线有望在MEMS仪器上直接合成。
孔俊，苏海涛，戴海军(1998)单壁碳纳米管在硅片上的合成。395:878性质。
何瑞仁，高东，范瑞，Hochbaum AI, Carraro C, Maboudian R，杨德昌(2005)微沟槽中硅纳米线桥:生长与器件制造的集成。Adv Mater 17:2098。
希望以上的评论对你有所帮助。
问候,
勇
关于:基于mems的实验纳米力学仪器
勇,
非常感谢您领导这个主题，这是及时的，对社区有很大的兴趣。基于mems的仪器和研究为探索纳米结构的力学行为和揭示控制尺寸效应的物理机制提供了新的机会。你列出的论文非常棒，我将用在我的研究生课程讲座上(我这学期教纳米材料)。我非常喜欢你提出的挑战。例如，是否可以将基于MEMS的加载框架与AFM集成在一起，以同时使用MEMS加载框架和AFM尖端进行3D加载?可以使用AFM来校准MEMS加载框架吗?看来未来还有很多地方有待探索。
生物纳米材料很难处理。将纳米机械手与微机电系统集成在一起，研究生物纳米材料的力学性能，是一件很有意义的事情。
再次感谢，希望看到更多的讨论。
原位AFM和生物纳米材料
你好,
谢谢你提了这么好的观点。到目前为止，大多数基于mems的仪器是为纳米结构的拉伸测试而设计的。我认为它们也可以用于压缩、弯曲和可能的扭转测试。在更普遍的意义上，几乎所有的纳米力学测试方法(除了纳米压痕，我猜)只能处理简单的加载。MEMS和AFM组合加载可以提供更复杂的应力状态，这对于理解某些力学行为很重要，也具有实际意义。我不知道在模拟中是否经常遇到组合加载。
利用MEMS对生物材料进行力学测试是另一个有趣的方向。大多数基于mems的仪器都集成在SEM或TEM中进行原位测试。SEM和TEM对真空度有严格的要求，往往与生物材料不兼容。在这种情况下，AFM可以提供一种可行的原位成像手段。我几乎没有使用生物材料的经验，但倾向于认为生物纳米材料很难处理。你认为处理生物材料的主要挑战是什么?
勇
回复:原位AFM和生物纳米材料
谢谢勇。我同意真空和电子束在扫描电镜和透射电镜下可以改变生物材料。AFM没有这个问题。进行AFM成像仍然是一个挑战。与坚硬的固体样品不同，柔软的生物材料样品可以根据AFM分离而移动。在某些情况下，敲击模式是必不可少的。本文主要是利用纳米仿生拉伸绳对胶原纤维样品进行纳米力学测试和AFM成像。
王新南，闫永达，Michael J. Yost，董申，李晓东，
“微/纳米纤维增强类型I的纳米力学表征
胶原蛋白，" Journal of Biomedical Materials Research Part A, 83 (2007)
130 - 135
利用MEMS研究生物纳米材料的更多工作
说到生物结构，我想起了Ballarini教授及其同事关于胶原原纤维的一篇非常有趣的论文。他们使用MEMS设备直接测量纳米纤维的抗拉强度、刚度和疲劳行为。
艾佩尔，王志强，王志强，王志强，胶原原纤维力学性能的研究进展，中国生物医学工程学报(自然科学版)，27(6):366 - 366(2006)。