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Patent Searching and Data


Title:
IN-SITU TESTING METHOD FOR FORCE-ELECTRICAL COUPLING OF TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE FOR ONE-DIMENSIONAL MATERIAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/200760
Kind Code:
A1
Abstract:
An in-situ testing method for force-electrical coupling of a transmission electron microscope for one-dimensional material: designing and fabricating a multifunctional sample station capable of compressing, buckling and bending a sample; removing a carbon film of a copper grid of a transmission electron microscope, and cutting same into two halves from the center; ultrasonically dispersing a sample in alcohol; using a pipette to drip the sample at the edge of a semi-circular copper grid; utilizing a micromechanical device for an epoxy resin conductive silver adhesive under an optical microscope to fix a single sample at the edge of a substrate of the sample station, and smearing the surface of the substrate of the sample station using conductive silver paint; and performing in-situ testing for force-electrical coupling in the transmission electron microscope. Provided is a simple and efficient sample preparation and testing method for an in-situ observation experiment for the force-electrical coupling of a transmission electron microscope, which is may perform compressing, buckling and bending experiments on a sample and which is capable of observing in real time changes in the microstructure of material and changes in the electrical performance of the sample during a force-receiving process, thereby achieving in-situ testing for force-electrical coupling of a transmission electron microscope for one-dimensional material.

Inventors:
ZHANG ZHENYU (CN)
CUI JUNFENG (CN)
CHEN LEILEI (CN)
WANG BO (CN)
GUO DONGMING (CN)
Application Number:
PCT/CN2018/095793
Publication Date:
October 24, 2019
Filing Date:
July 16, 2018
Export Citation:
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Assignee:
UNIV DALIAN TECH (CN)
International Classes:
G01N3/08; G01N3/20
Foreign References:
CN1995963A2007-07-11
CN1815180A2006-08-09
CN103743608A2014-04-23
CN107219243A2017-09-29
CN1995962A2007-07-11
US20140013854A12014-01-16
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Claims:
权利要求书

[权利要求 1] 一维材料透射电镜力-电耦合原位测试方法, 设计制造一种可用来对 样品进行压缩、 压曲以及弯曲的多功能样品台, 在光学显微镜下利用 微机械装置对样品用环氧树脂导电银胶进行固定, 并将多功能样品台 基片表面用导电银漆进行涂抹, 在透射电镜下对样品进行力-电耦合 原位测试, 并且观察样品微观结构的变化过程, 其特征在于:

( 1) 所述的样品为纳米线、 纳米管一维材料;

(2) 所述的多功能样品台是利用刻蚀以及激光隐形切割方法对 SOI 芯片加工而成, 其材料为掺硼的 P型硅, 整体尺寸为: 长 2-3 mm, 宽 1.5-2 mm, 厚 0.25-0.4 mm, 通过激光隐形切割方法加工而成 ; 多功能样品台包括衬底和基片两部分, 其中基片厚 5-15 [im; 首先 通过刻蚀将衬底加工出宽 1.5-1.7 mm, 深 30-70 pm的沟槽, 然后在基 片上刻蚀出宽 4-100 pm, 深 20-60 pm的沟槽; 样品固定在垂直于沟槽 方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比小于 10, 进行 压缩实验; 样品固定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片 长度与样品直径之比大于 10, 进行压曲实验; 样品固定在平行于沟槽 方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度大于 2 pm, 进行弯曲实验;

(3) 将透射电镜铜网上的碳膜去除, 并将透射电镜铜网经圆心用刀 片切成两半, 成半圆形铜网;

(4) 将样品分散在酒精溶液中, 并超声 l-3 min, 然后利用移液枪将 样品滴在半圆形铜网边缘;

(5) 若样品直径大于 100 nm, 利用微机械装置在光学显微镜下将单 个样品从半圆形铜网边缘移至样品台基片边缘; 若样品直径小于 100 nm, 利用聚焦离子束系统将单个样品从半圆形铜网边缘移至样品台 基片边缘;

(6) 在光学显微镜下利用微机械装置将样品用环氧树脂导电银胶进 行固定, 在空气中放置 4-8小时, 使环氧树脂导电银胶固化, 然后将 多功能样品台的基片表面涂一层导电银漆; (7) 利用导电银漆将固定有样品的样品台固定在透射电镜原位纳米 力学系统样品杆的样品座上;

(8) 将样品座利用螺钉固定在样品杆上, 用平头掺硼金刚石压针或 平头钨压针在透射电镜下对样品进行力-电耦合原位观察实验。

Description:
一维材料透射电镜力-电耦合原位测试方法 技术领域

[0001] 本发明涉及一维材料透射电镜力-电耦合原位 试方法, 特别涉及一维材料原 位纳米力学的力-电耦合测试, 属于透射电镜原位纳米力学测试领域。

背景技术

[0002] 随着航空、 航天、 深空探测等国家重大工程的建设和发展, 对高性能装备的性 能提出了一系列更高的要求, 而高性能装备的性能取决于高性能零件的性能 , 一般要求表面达到亚纳米级表面粗糙度和纳米 级平面度、 表面 /亚表面无损伤, 传统的加工方法很难达到这种要求, 并且产生的表面 /亚表面损伤往往会影响材 料的电学性能, 从而影响整个器件的性能, 所以需要开发新的超精密加工装备 及加工工艺。 要开发新的超精密加工装备及加工工艺, 需要对加工机理进行了 解, 而机械加工即是对材料施加载荷, 因此需要研究材料在受载时的变化过程 及机理, 在透射电镜中从原子尺度对其进行探索是一个 非常重要的手段。 传统 的研究方法一般是分别对材料加载前和加载后 在透射电镜中进行观察, 而不能 实时的观察材料在受载时的变化过程, 所以很难对其机理进行解释。 因此近几 年发展了一种透射电镜原位纳米力学测试技术 , 它可以实时观察材料在受载时 的变化过程, 并且能够测量样品的电学性能, 所以, 透射电镜力-电耦合原位测 试是一种研究材料变形及断裂机理的重要的测 试方法。

[0003] 一维材料在透射电镜原位纳米力学研究中具有 独特的优势, 其中一个重要的 原因是在透射电镜中要观察材料的微观结构, 样品厚度必须足够小, 一般要求 厚度小于 200 nm, 而在另外一个维度方向上尺寸要足够大, 保证样品能够固定 而承受力的作用, 一维材料本身无需额外的加工处理便能满足这 两个要求, 避 免了加工过程中带来的损伤和污染。 目前关于一维材料透射电镜力 -电耦合原位 测试的方法, 主要是对样品在透射电镜中进行原位拉伸, 观察样品在拉伸过程 中其电学性能的变化, 该方法只能使样品承受一种拉伸应力, 并且样品制备及 其困难, 需要利用聚焦离子束系统 (FIB) 进行焊接, 而 FIB焊接过程中对样品 的损伤和 Pt污染对样品的力学性能、 电学性能以及微观结构的观察都有重要的影 响。 因此, 设计开发一种能够对一维材料在透射电镜中进 行原位压缩、 压曲以 及弯曲实验的力-电耦合测试, 同时又对样品无污染、 无损的测试方法是十分重 要的。

发明概述

技术问题

[0004] 本发明设计制造了一种多功能样品台, 可对样品在透射电镜中进行原位压缩、 压曲以及弯曲实验, 可实时观测样品在受力过程中材料微观结构的 变化以及电 学性能的变化, 并且提供了一种对样品无损伤的样品制备方法 , 实现了一维材 料透射电镜力-电耦合原位测试。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明的技术方案:

[0006] 一维材料透射电镜力-电耦合原位测试方法, 设计制造一种多功能样品台, 将 透射电镜铜网的碳膜去除, 并经圆心将其切成两半, 将样品在酒精中超声分散 , 用移液枪将样品滴在半圆形铜网边缘; 在光学显微镜下或在 FIB中将单个样品 从半圆形铜网边缘移至样品台边缘; 在光学显微镜下利用微机械装置将样品用 环氧树脂导电银胶进行固定, 在空气中放置 4-8小时使环氧树脂导电银胶固化, 然后将样品台表面涂一层导电银漆。 本发明提供了一种简单、 高效的透射电镜 力 -电耦合原位观察实验的样品制备及测试方法 可对样品进行压缩、 压曲以及 弯曲实验, 并且能够实时观测样品在受力过程中材料微观 结构的变化以及电学 性能的变化, 实现了一维材料透射电镜力 -电耦合原位测试。

[0007] 所述的样品为纳米线、 纳米管一维材料。 一维材料在一个维度方向上尺寸较大 , 方便对样品进行固定, 其他维度方向尺寸较小, 可以在透射电镜下对其进行 原子尺度的微观结构表征。

[0008] 所述的多功能样品台是利用刻蚀以及激光隐形 切割方法对 SOI芯片加工而成, 其材料为掺硼的 P型桂, 整体尺寸为: 长 2-3 mm, 宽 1.5-2 mm, 厚 0.25-0.4 mm, 通过激光隐形切割方法加工而成; 多功能样品台包括衬底和基片两部分, 其中 基片厚 5-15 pm; 首先通过刻蚀将衬底加工出宽 1.5-1.7 mm, 深 30-70 pm的沟槽, 然后在基片上刻蚀出宽 4-100―, 深 20-60 pm的沟槽; 样品固定在垂直于沟槽方 向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比小于 10, 进行压缩实验; 样品固定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比 大于 10, 进行压曲实验; 样品固定在平行于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出 基片长度大于 2 pm, 进行弯曲实验。 为使样品台导电, 并且便于加工, 样品台 材料选用掺硼的 P型硅, 是利用刻蚀以及激光隐形切割方法对 SOI芯片加工而成 ; 由于透射电镜极靴间隙较小, 样品台也必须足够小才能够固定在原位透射电 镜样品杆上, 考虑到操作过程的方便性, 样品台整体尺寸选择为长 2-3 mm, 宽 1.5-2

mm, 为了使样品在透射电镜中能够达到共心高度, 其厚度选择为 0.25-0.4 mm, 由于尺寸较小, 传统的金刚石刀片切割方法由于刀片尺寸限制 以及容易出现崩 裂现象, 很难加工较小样品, 而激光隐形切割方法利用穿透率较高的激光束 使 单晶硅结构发生变化, 形成分割用的起点, 然后通过外力将其分割成较小的芯 片, 制成的芯片边缘平滑且无崩裂现象, 所以利用激光隐形切割方法; 样品台 在加工或在安装过程中不可避免会导致样品台 倾斜, 会造成要观察的样品被倾 斜的样品台遮挡住, 为了减小样品台倾斜对样品的观测, 将样品台分为衬底和 基片两部分, 并通过刻蚀将衬底加工出宽 1.5-1.7 mm, 深 30-70 pm的沟槽, 基片 厚度 5-15—, 基片上刻蚀出宽 4-100 pm, 深 20-60 pm的沟槽; 基片沟槽是为了 实现对样品进行压缩、 压曲以及弯曲的功能。 样品固定在垂直于沟槽方向的基 片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比小于 10, 可进行压缩实验; 样品 固定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比大于 1 0, 样品在达到压缩应力极限之前能够发生弯曲, 所以可进行压曲实验; 样品固 定在平行于沟槽方向的基片边缘, 可进行弯曲实验。

[0009] 将透射电镜铜网上的碳膜去除, 并将透射电镜铜网经圆心用刀片切成两半, 成 半圆形铜网。 透射电镜铜网作为样品的载体, 为避免铜网上面的碳膜与样品交 缠在一起, 便于将单个样品从上面取出, 应预先将碳膜去除, 可在空气中通过 打火机内焰将其烧掉或在酒精溶液中超声 30 min将其去除; 为使更多样品分布在 铜网边缘, 以及便于取出单个样品, 将铜网沿其圆心用刀片切成两半, 取其中 半个铜网。

[0010] 将样品分散在酒精溶液中, 并超声 1-3 min, 然后利用移液枪将样品滴在半圆形 铜网边缘。 酒精是一种较常用, 并且分散效果较好的一种有机溶剂, 所以将样 品放入酒精溶液中, 并且超声 l-3 min, 使样品分散; 利用移液枪将样品滴在半 圆形铜网边缘, 便于从中取出单个样品。

[0011] 若样品直径大于 100 nm, 利用微机械装置在光学显微镜下将单个样品从 半圆形 铜网边缘移至样品台基片边缘; 若样品直径小于 100 nm, 利用聚焦离子束系统 将单个样品从半圆形铜网边缘移至样品台基片 边缘。 样品直径大于 100 nm, 在 光学显微镜下可以观察到单个样品, 所以可以在光学显微镜下利用微移动装置 将单个样品从半圆形铜网边缘移至样品台基片 边缘; 样品直径小于 100 nm, 在 光学显微镜下很难观测到单个样品, 所以需要利用 FIB机械手将单个样品从半圆 形铜网边缘移至样品台基片边缘。

[0012] 在光学显微镜下利用微机械装置将样品用环氧 树脂导电银胶进行固定, 在空气 中放置 4-8小时, 使环氧树脂导电银胶固化, 然后将多功能样品台的基片表面涂 一层导电银漆。 为避免 FIB焊接过程中对样品的损伤和污染, 利用微机械装置在 光学显微镜下将样品用环氧树脂导电银胶进行 固定, 采用环氧树脂导电银胶, 一方面其便于进行滴胶, 固化时间 4-8小时, 有足够的操作时间, 另一方面其导 电性好, 可以在透射电镜对样品进行力-电耦合测试; 待其固化后, 将样品台基 片表面涂一层导电银漆, 增强样品台的导电性。

[0013] 利用导电银漆将固定有样品的样品台固定在透 射电镜原位纳米力学系统样品杆 的样品座上。 导电银漆可以使电流从样品杆通入样品中。

[0014] 将样品座利用螺钉固定在样品杆上, 用平头掺硼金刚石压针或平头钨压针在透 射电镜下对样品进行力-电耦合原位观察实验 压针作为与样品接触的材料, 为 使电流通过样品, 压针必须导电性要好, 同时为了对样品进行压缩、 压曲或者 弯曲, 所以使用用平头掺硼金刚石压针或者钨压针对 样品进行力-电耦合测试。 发明的有益效果

有益效果 [0015] 本发明的效果和益处是设计制造了一种多功能 样品台, 并且在光学显微镜下采 用微机械装置对样品用环氧树脂导电银胶进行 固定, 可实现在透射电镜下对样 品进行压缩、 压曲以及弯曲实验, 并且实时观测样品微观结构的变化以及电学 性能的变化, 实现了一维材料透射电镜力 -电耦合原位测试。

对附图的简要说明

附图说明

[0016] 图 1是设计的多功能样品台的示意图, 样品固定在样品台基片边缘的沟槽附近 , 制成悬臂梁状, 如图 2b所示。

[0017] 图 2a是一维材料透射电镜力-电耦合原位测试的原 理图, 样品台是利用刻蚀以 及激光隐形切割技术对 SOI芯片加工而成, 其材料为掺硼的 P型硅, 利用环氧树 脂导电银胶将样品固定在样品台基片边缘, 制成悬臂梁状, 然后将样品台基片 利用导电银漆进行涂抹, 增强样品台的导电性, 平头压针在接触到样品并对样 品施加载荷的过程中, 可以通入一个恒定电压, 测出通过样品的电流并测出在 样品发生应变过程中电流的变化, 平头压针固定在传感器上, 传感器可以测得 压针所执行的力和位移, 从而可以获得样品的应力 -应变曲线。 图 2b是图 1方框所 示的放大图, 若样品固定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度 与样品直径之比小于 10, 如位置 1所示样品, 可对样品进行压缩实验; 若样品固 定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比大于 10 , 如位置 2所示样品, 可对样品进行压曲实验; 若样品固定在平行于沟槽方向的 基片边缘, 如位置 3所示样品, 可对样品进行弯曲实验;

[0018] 图 3a是实际压缩测试的透射电镜照片。

[0019] 图 3b是压曲测试的透射电镜照片。

[0020] 图 3c是弯曲测试过程的透射电镜照片。

[0021] 图 3d是压缩测试的力学信息和电学信息图。

发明实施例

本发明的实施方式

[0022] 以下结合附图和技术方案, 进一步说明本发明的具体实施方式。

[0023] 一维材料透射电镜力-电耦合原位测试方法, 设计制造了一种可用来对样品进 行压缩、 压曲以及弯曲的多功能样品台, 利用微机械装置在光学显微镜下对样 品用环氧树脂导电银胶进行固定, 并将样品台基片表面用导电银漆进行涂抹, 在透射电镜下可对样品进行力 -电耦合原位测试;

[0024] ( 1) 所述的样品为纳米线、 纳米管一维材料;

[0025] (2) 所述的多功能样品台是利用刻蚀以及激光隐形 切割技术对 SOI芯片加工而 成, 其材料为掺硼的 P型硅, 整体尺寸为: 长 2-3 mm, 宽 1.5-2 mm, 厚 0.25-0.4 mm, 是通过激光隐形切割技术加工而成; 样品台包括衬底和基片两部分, 其中 基片厚 5-15 pm; 首先通过刻蚀将衬底加工出宽 1.5-1.7 mm, 深 30-70 pm的沟槽, 然后在基片上刻蚀出宽 4-100―, 深 20-60 pm的沟槽。 样品固定在垂直于沟槽方 向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之比小于 10, 可进行压缩实验 ; 样品固定在垂直于沟槽方向的基片边缘, 使样品伸出基片长度与样品直径之 比大于 10, 可进行压曲实验; 样品固定在平行于沟槽方向的基片边缘, 使样品 伸出基片长度大于 2 pm, 可进行弯曲实验;

[0026] (3) 将透射电镜铜网上面的碳膜去除, 并将铜网经圆心用刀片切成两半;

[0027] (4) 将样品分散在酒精溶液中, 并超声 l-3 min, 然后利用移液枪将样品滴在 半圆形铜网边缘;

[0028] (5) 若样品直径大于 100 nm, 可利用微机械装置在光学显微镜下将单个样品 从半圆形铜网边缘移至样品台基片边缘; 若样品直径小于 100 nm, 可利用 FIB将 单个样品从半圆形铜网边缘移至样品台基片边 缘;

[0029] (6) 利用微机械装置在光学显微镜下将样品用环氧 树脂导电银胶进行固定, 在空气中放置 4-8小时使环氧树脂导电银胶固化, 然后将样品台基片表面涂一层 导电银漆, 增强样品台导电性;

[0030] (7) 利用导电银漆将固定有样品的样品台粘在原位 透射电镜样品杆的样品座 上;

[0031] (8) 将样品座利用螺钉固定在原位透射电镜样品杆 上, 用平头掺硼金刚石压 针或钨压针在透射电镜下对样品进行力-电耦 原位观察实验。

实施例

[0032] 设计加工多功能样品台, 如图 1所示, 样品台是利用刻蚀以及激光隐形切割技 术对 SOI芯片加工而成, 其材料为掺硼的 P型硅, 总体尺寸长 2-2.1 mm, 宽 1.7-1.8 mm, 厚 0.3-0.31 mm, 是通过激光隐形切割技术加工而成; 衬底沟槽宽 1.6-1.7 mm, 深 30-40 pm, 绿色方框对应的基片沟槽宽 60-63 pm, 深 20-23 pm, 沟槽通 过刻蚀加工而成。

[0033] 在空气中通过打火机内焰将透射电镜铜网的碳 膜烧掉, 用刀片沿铜网中心将其 切成两半。 样品选取直径 100-300 nm、 长度 50-100 1的单晶3(:4(:纳米线, 将 样品放入酒精溶液中超声分散 2 min, 用移液枪将样品滴在半圆形透射电镜铜网 边缘。 利用微移动装置在光学显微镜下将单根纳米线 从半圆形透射电镜铜网边 缘移至样品台基片边缘, 并用环氧树脂导电银胶进行固定。 在空气中静置 5小时 之后, 利用导电银漆对样品台基片表面进行涂抹。 样品 1直径 239 nm, 固定在垂 直于沟槽方向的边缘, 伸出基片长度 2047

nm, 可进行压缩实验, 压缩过程如图 3a所示; 样品 2直径 145 nm, 固定在垂直于 沟槽方向的边缘, 伸出基片长度 6392 nm, 可进行压曲实验, 压曲过程如图 3b所 示; 样品 3直径 250 nm, 固定在平行于沟槽方向的边缘, 伸出基片长度 3440 nm , 可进行弯曲实验, 弯曲过程如图 3c所示; 实验过程中可实时获得样品受载过程 中的微观结构变化以及电学性能变化, 图 3d所示为样品在压缩过程中的载荷-位 移曲线和电流 -位移曲线, 其中电压为 10 V, 压针为掺硼金刚石平头压针, 可以 看出样品所受载荷越大, 通过样品的电流越大, 即样品导电性越好, 测得样品 的压阻系数为 -3x10 1Q Pa - 1