專利名稱：一種熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)及一維納米材料變形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米器件及透射電鏡中原位納米材料變形方法領(lǐng)域，具體涉 及一種熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)及一維納米材料變形方法。
背景技術(shù)：
由于透射電鏡極高的分辨能力，可以提供納米尺度甚至原子尺度的信息， 是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，它在物理，化學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等 領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，特別是在目前發(fā)展迅速的納米科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，是最 為有力的研究工具之一。透射電鏡載網(wǎng)是用來支撐被檢測的樣品，目前最常 用的透射電鏡載網(wǎng)的骨架一般為銅網(wǎng)，而銅網(wǎng)上布有非晶碳支持膜。 一般而 言，這些載網(wǎng)只能承載被檢測的樣品，透射電子顯微鏡只能觀測分布在這些 載網(wǎng)上的樣品的靜態(tài)組織結(jié)構(gòu)，不能利用這些載網(wǎng)對樣品進行操縱，實行動態(tài)原位檢測。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS， micro electromechanical system) 和納機電系統(tǒng)(NEMS，證o electromechanical systerm)的發(fā)展，對于單根納 米線或薄膜在外力作用下力學(xué)性能研究顯的尤為迫切，但是由于單根納米線 或薄膜結(jié)構(gòu)細小，難于操縱，在透射電鏡中如何對單根納米線或納米薄膜樣 品進行固定和原位變形，從納米尺度和原子層次揭示納米材料在外力作用下 變形機制，和尺寸效應(yīng)成為擺在研究人員面前的難題。目前在透射電鏡中由 于受到樣品臺與極靴極為有限的空間， 一般是l 3mm，在原子尺度分辨率下 對于單根納米線或納米薄膜的操縱和力學(xué)性能的直接測量非常困難，文獻中 已經(jīng)報道的主要有三種方法。一種是方法報道于《Applied physics letters》2002年80巻第21期，其主要原理是利用特殊沉積的壓電陶瓷薄膜(PZT)做為載網(wǎng)，將研究的薄膜沉積在壓電陶乾表面，用可以通電的透射電鏡樣品桿將載網(wǎng)和樣品放入透射 電子顯微鏡中，在電場的作用下壓電陶瓷的變形實現(xiàn)對薄膜的拉伸和壓縮操作，同時利用透射電^:成^f象系統(tǒng)記錄薄膜的疲勞斷裂變化過程。該方法樣品 制作過程較復(fù)雜，由于樣品桿傾轉(zhuǎn)角度的限制(一般只能單軸傾轉(zhuǎn)或雙軸傾轉(zhuǎn)±5° )，不能在最佳分辨率情況下(高分辨原子尺度)進行原位觀察，不能從根本上了解其變形機制。頁和《Nature》2006年439巻281頁，其主要原理是將掃描隧道顯微鏡探針 放入透射電子顯微鏡種，利用外接控制系統(tǒng)控制探針運動來操縱單根碳納米 管，實現(xiàn)對碳納米管的拉伸變形，利用導(dǎo)電的探針實現(xiàn)了在通電的同時對碳 納米管的拉伸，發(fā)現(xiàn)了碳納米管在電流作用下高溫超塑性變形行為和斷裂機 制。這種方法雖然對精心設(shè)計的樣品可以實現(xiàn)原子分辨，并同時進行拉伸和 通電測量，但由于較為復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)放入透射電鏡樣品室中，樣品臺只能 小角度傾轉(zhuǎn)(土5。)或只能單軸傾轉(zhuǎn)(不超過±20° )，仍然限制了其應(yīng)用 范圍，不利于普及推廣。第三種方法報道與《Nano Letters》2007年第第94巻236802頁和 《Advanced Materials》2006年439巻281頁，其主要是利用一種特制的碳 膜，利用電子束輻照誘發(fā)破裂的碳膜發(fā)生巻曲，從而實現(xiàn)對分散其上的一維 納米材料的彎曲和拉伸，這種方法可以實現(xiàn)大角度雙軸傾轉(zhuǎn)，從而可以得到 變形期間原位的高分辨圖像，而且實驗過程簡單、成本不高。但是利用電子 束輻照誘發(fā)石友膜的巻曲可控性較差，應(yīng)力的施加及應(yīng)變速率比較難控制，而 且提供的應(yīng)力有限，對有些強度較大的材料很難進行變形。上述的透射電鏡原位納米材料力學(xué)性能測試中，前兩種樣品操縱臺或載 網(wǎng)均不能實現(xiàn)大角度雙傾，對于大部分需要在正帶軸下實時觀察在外力作用 下結(jié)構(gòu)變化的納米材料，其應(yīng)用受到限制。而第三種方法的可控性較差，并 且提供的應(yīng)力有限，許多材料不適合此種方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，而提供一種可以實現(xiàn)大角 度傾轉(zhuǎn)，可控性強的熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)及其對一維納米材料變形的方 法。本發(fā)明所提供的載網(wǎng)，包括骨架(1)和蒸鍍在骨架(1)上的支持膜(2 )， 其特征在于，還包括金屬薄膜A (3)(又稱主動層)和金屬薄膜B (4)(又稱 被動層)；其中，金屬薄膜A (3)蒸鍍在支持膜(2)之上，金屬薄膜B (4) 蒸鍍在金屬薄膜A ( 3 )之上，且金屬薄膜A ( 3 )的熱膨脹系數(shù)要大于金屬薄 膜B (4)的熱膨脹系數(shù)。其中，所述的金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 )的厚度為20 ~ 50nm。為了保證在 較低溫度下實現(xiàn)較大的彎曲變形，兩種金屬薄膜A (3)和B (4)的比彎曲大 于10/1(T6 .°C-、如一些商用的雙金屬片材料，金屬薄膜A( 3 )可以為Mn75Nil5 或Ni20Mn6Fe74或Mn72NilOCu18等；金屬薄膜B (4)可以為Ni36Fe64或 Ni42Fe58等。本發(fā)明所提供的載網(wǎng)，通過如下步驟制作采用物理蒸發(fā)鍍膜工藝，在 常規(guī)透射電鏡載網(wǎng)的支持膜(2)的上表面(常用載網(wǎng)一般是以銅網(wǎng)為骨架， 在銅網(wǎng)上蒸鍍碳膜)，蒸鍍兩層膨脹系數(shù)差異較大的金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 )。 本發(fā)明所提供的載網(wǎng)對一維納米材料變形的方法，包括如下步驟 1)將載網(wǎng)的金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 )預(yù)制微裂紋(5 )(可以通過刀片5輕輕劃裂薄膜或其它適合方法)；2 )將一維納米材料進行超聲分散后，滴到透射電鏡載網(wǎng)的金屬薄膜B( 4 )上；3) 將熱驅(qū)動變形的透射電鏡載網(wǎng)固定在可加熱的透射電鏡樣品桿上，放 入透射電鏡中；4) 找到金屬薄膜B ( 4 )微裂紋(5 )處有一維納米材料存在的地方進行 觀察，并通過電子束焊接的方法進行樣品的固定，然后利用加熱桿對載網(wǎng)進 行力口熱；5) 通過透射電鏡的高分辨原子圖像實時原位記錄納米線的變形過程和晶 格結(jié)構(gòu)變化。隨著溫度的升高，由于金屬薄膜A (3)和B (4)的熱膨脹系數(shù)不同，微 裂紋(5)處發(fā)生巻曲，進而拉伸或彎曲固定在其上的一維納米材料。通過對 變形前后一維納米材料微結(jié)構(gòu)變化的實時高分辨圖像的對比分析，可以在原 子層次上揭示一維納米材料在彈塑性變形的特點，變形的尺寸效應(yīng)，變形過 程中位錯的產(chǎn)生，以及裂縫的擴展變等反映材料力學(xué)性能的微觀組織結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、 本發(fā)明所提供的熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)載網(wǎng)薄膜的受熱 變形，載網(wǎng)外形尺寸與現(xiàn)有技術(shù)載網(wǎng)完全一致，可以方便的裝入高分辨透射 電鏡中，可以實現(xiàn)X， Y兩個方向大角度傾轉(zhuǎn)(目前商業(yè)化雙傾加熱臺可以達 到±30。 /±60° )。2、 本發(fā)明熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)對一維納米材料變形方法，實現(xiàn)了一 維納米材料的原位變形操作，具有性能可靠，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單的特點， 拓了透射電鏡的功能。


圖1、熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、熱驅(qū)動變形的透射電鏡載網(wǎng)透射電鏡照片。圖3、金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 )受熱后的巻曲拉伸Si納米線的透射電鏡照片。
具體實施方式
實施例采用常規(guī)物理蒸發(fā)鍍膜工藝，制作熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)，如圖1所示， 骨架(1 )(銅網(wǎng))上布有支持膜(2 )(碳膜)，支持膜(2 )的上表面依次蒸 鍍有金屬薄膜A( 3 )和金屬薄膜B( 4 );其中，金屬薄膜A( 3 )采用Mn72NilOCu18 合金制作，金屬薄膜B ( 4 )采用Ni36Fe64合金制作，金屬薄膜A ( 3 )的厚 度為30nm,金屬薄膜B (4)的度為30nm。利用熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)對一維納米材料的變形1) 將載網(wǎng)的金屬薄膜A (3)和B (4)用刀片預(yù)制一些微裂紋(5)，如 圖2所示，黑色區(qū)域為骨架(l)(銅網(wǎng))，灰色圓孔區(qū)域為支持膜(2)(-灰膜)、 金屬薄膜A ( 3 )和金屬薄膜B ( 4 ),空白處為微裂紋(5 );2) 將超聲波震蕩分散好的Si納米線(在無水乙醇中)滴到載網(wǎng)金屬薄 膜B ( 4 )之上；3) 將載網(wǎng)固定在透射電鏡加熱樣品桿上；4) 加熱載網(wǎng)，利用透射電鏡觀測一納米線的變形并進^f亍納米尺度或原子 尺度記錄過程。通過觀測，發(fā)現(xiàn)Si納米線在變形期間表現(xiàn)出大的應(yīng)變塑性，這不同于其 體材料的脆性，Si在納米尺度下表現(xiàn)出與大塊體材料不同的變形方式，如圖 3所示。最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描 述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述的實施例對本發(fā)明已進行了詳 細的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本發(fā)明進行 修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1. 一種熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)，包括骨架(1)和蒸鍍在骨架(1)上的支持膜(2)，其特征在于，還包括金屬薄膜A(3)和金屬薄膜B(4)；其中，金屬薄膜A(3)蒸鍍在支持膜(2)之上，金屬薄膜B(4)蒸鍍在金屬薄膜A(3)之上，且金屬薄膜A(3)的熱膨脹系數(shù)要大于金屬薄膜B(4)的熱膨脹系數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載網(wǎng)，其特征在于，所述的金屬薄膜A ( 3 )的厚度 為20 50nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的載網(wǎng)，其特征在于，所述的金屬薄膜B ( 4 )的厚度 為20~ 50nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的載網(wǎng)，其特征在于，所述的金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 ) 的比彎曲大于10/10—6 IT1。
5、 一種一維納米材料變形方法，其特征在于，包括以下步驟1) 將透射電鏡載網(wǎng)的金屬薄膜A ( 3 )和B ( 4 )預(yù)制《鼓裂紋(5);2) 將一維納米材料分散在射電鏡載網(wǎng)的金屬薄膜B (4)之上；3) 再將載有一維納米材料的射電鏡載網(wǎng)固定于透射電鏡樣品加熱桿上；4) 通過加熱桿加熱載網(wǎng)，使金屬薄膜A (3)和B (4)發(fā)生巻曲，變形 一維納米材料。
全文摘要
一種熱驅(qū)動變形透射電鏡載網(wǎng)及一維納米材料變形方法屬于納米器件及透射電鏡中原位納米材料變形方法領(lǐng)域?，F(xiàn)有載網(wǎng)只能通過電子束輻照進行變形，且提供應(yīng)力有限。本發(fā)明的載網(wǎng)是在現(xiàn)有載網(wǎng)的支持膜上蒸鍍金屬薄膜A和B，金屬薄膜A的熱膨脹系數(shù)要大于金屬薄膜B。本發(fā)明的載網(wǎng)對一維納米材料的變形方法將金屬薄膜A和B劃破后，將一維納米材料分散在其上，放入透射電鏡中加熱，破裂的兩層薄膜由于膨脹系數(shù)的不同發(fā)生卷曲，從而提供變形一維納米材料的驅(qū)動力并實現(xiàn)一維材料的變形。本發(fā)明載網(wǎng)可以實現(xiàn)X，Y兩個方向大角度傾轉(zhuǎn)，實現(xiàn)一維納米材料的原位變形操作，具有性能可靠，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單的特點，拓了透射電鏡的功能。
文檔編號H01J37/20GK101252073SQ20081010349
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月7日
發(fā)明者澤 張, 坤 鄭, 韓曉東 申請人:北京工業(yè)大學(xué)