二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.      

Indentation tests investigation of mechanical behavior of two-dimensional materials

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义, 无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一, 本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上, 制备二维材料"梁"和"鼓"模型, 然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷--位移关系, 最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果, 估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜, 来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响, 造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符, 导致不能准确预测二维材料的弹性模量; 另外, 由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为, 以及由缺陷等引起的应力集中, 导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差. 因此, 一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能, 另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.     

基于气压鼓泡法研究石墨烯力学性能

通常假设二维材料为连续介质薄膜,然后采用连续介质薄膜的研究方法进行二维材料力学性能研究,其中气压鼓泡法是一种主要测试方法．但实验观测发现,悬空石墨烯并非处于气压鼓泡测试分析模型中假设的固支边界条件,而是处于一种粘附边界条件：靠近孔壁边界处,有小部分材料通过范德华吸引粘附在基底柱形孔的侧壁上,而且粘附部分可以在极小载荷作用下剥离．这导致石墨烯悬空部分的实际半径大于基底孔半径,即鼓泡实验中的石墨烯是一种松弛薄膜,而非通常认为的预拉伸薄膜．通过有限元数值模拟研究发现,可基于含有名义松弛应变的鼓泡分析模型获得处于粘附边界条件下的石墨烯弹性模量．     

纳米压痕法研究PZT压电薄膜的力学性能

PZT压电薄膜的力学性能如弹性模量、硬度等对于MEMS器件的结构设计、结构响应特性、服役性能等尤为重要。薄膜材料由于尺寸效应、表面效应等的作用，力学性能与宏观块体材料有显著差异。本文用纳米压痕法获得了PZT压电薄膜的弹性模量和硬度，考察了基底的影响，分析了退火时间对于其力学性能的影响，以及硬度和压入深度之间的压痕尺度效应。     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.      

球形压痕的残余变形分析

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用.应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面(w)变形场进行了定量测量和分析.应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度.应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线.实验结果与已知的IN783合金相吻合.对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果.     

InSb薄膜的剪切性能研究

InSb薄膜广泛应用于高精度的光电存储、红外探测等技术中.为了提高InSb材料的剪切强度,优化其力学性能,论文对InSb薄膜分别从不同厚度、温度、滑移系取向、孔洞密度等几个方面,对InSb薄膜的剪力响应及其原子构型演变进行分析,以研究其剪切强度和韧性的影响因素.发现厚度较大的薄膜具有更大的弹性模量和极限强度.而温度升高会导致材料的强度极限以及剪切韧性降低.同时还观察到10%孔洞密度下孔洞形状对材料的剪切性能有明显影响而20%孔洞密度下形状不再明显影响材料的剪切性能.此外在不同滑移系取向的研究中发现,滑移系取向对于材料的剪切强度和剪切韧性的影响是不同步的,例如(110)[1-10]滑移系下剪切强度降低而剪切韧性增强.上述结论对于提升InSb材料的剪切性能,合成出具有优异力学性能的InSb光电、磁敏材料具有指导意义.     

球形压痕的残余变形分析(英文)

球形压痕技术在材料力学属性,诸如硬度,弹性模量等的测量中得到了广泛的应用。应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术,本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究,并对残余压痕的面内(u, v)及离面( w)变形场进行了定量测量和分析。应用面内变形测量结果,进一步对试件表面的应力-应变分布进行了分析和计算,并在离面变形场的基础上,确立了压痕周围的弹塑性边界,从而进一步应用面内的分析结果,得到材料的屈服强度。应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式,本文进一步得到了材料的应力应变曲线。实验结果与已知的IN783合金相吻合。对所涉及的一系列压痕实验,本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果。     

石墨烯摩擦学及石墨烯基复合润滑材料的研究进展

本综述详细介绍了二维碳纳米材料-石墨烯的纳米摩擦学性能,以及作为纳米润滑薄膜、润滑添加剂和润滑填料的研究进展.总结了石墨烯的各种纳米摩擦机理,阐述了通过自组装、多层构筑、表面化学改性等技术改善石墨烯与基底的结合性、润滑剂中的分散性,与基体材料的界面结合强度以及石墨烯提高材料减摩抗磨性能的机制,并指出石墨烯作为高性能润滑材料仍需解决的问题及未来的研究趋势.     

球形压痕的残余变形分析

球形压痕技术在材料力学属性，诸如硬度，弹性模量等的测量中得到了广泛的应用。应用Twyman-Green及云纹干涉法并配合相移技术，本文对IN783合金进行了一系列的球形压痕实验研究，并对残余压痕的面内（u,v）及离面（w）变形场进行了定量测量和分析。应用面内变形测量结果，进一步对试件表面的应力一应变分布进行了分析和计算，并在离面变形场的基础上，确立了压痕周围的弹塑性边界，从而进一步应用面内的分析结果，得到材料的屈服强度。应用压痕实验的接触半径和压力并配合Tabor经验公式，本文进一步得到了材料的应力应变曲线。实验结果与已知的IN783合金相吻合。对所涉及的一系列压痕实验，本文也进行了二维有限元分析并得到了比较一致的结果。     

二维材料实验力学综述

以石墨烯为代表的二维材料因其原子级厚度、独特物理性质,成为近年来物理、化学、材料交叉学科的研究热点,在合成制备、结构表征、应用开发等方面的研究工作表明其在微纳机电系统、光电器件与功能复合材料领域有广泛且重要的应用前景。然而,由于二维材料结构与尺度的独特性,在其基本物性的理解方面仍存在许多未解决的问题,尤其是力学性能的表征,面临着诸多挑战。本文综述了二维材料本征力学性质和界面力学行为的微纳测试与表征技术的最新进展,例如纳米压痕技术、微孔鼓泡法等,并详细探讨了影响二维材料力学性能及行为的主要因素,分析了其微观尺度下的作用机制,以期通过物理或化学手段实现力学性能的调控。     

电镀铜薄膜力学性能的实验研究

电子器件中大量使用铜膜作为电信号通道,而且一般采用电镀工艺制成.铜膜的力学性能参数对于其热疲劳可靠性的研究非常重要.目前有关该材料的力学性能研究尚不充分,而且数据极为不统一.本文借助于纳米压痕法、声发射等实验手段对电镀铜薄膜的静态力学性能(包括弹性模量和屈服强度等)及疲劳性能进行了测试.结果发现,与大块铜材料相比,电镀铜薄膜的弹性模量低很多,但屈服强度与大块铜材料相当,甚至高出200％.同时,本文采用弯曲疲劳实验,以电阻变化为失效判据,对镀铜材料的疲劳性能进行了测试,获取了该材料不同失效判据下的疲劳寿命预测模型的系数.     

有限厚度模型校准二维MoS2的Bimodal-AFM杨氏模量测量

二维材料因其独特的晶体结构、新奇的物理特性和优异的力学性能, 在微纳机电系统、柔性电子器件等诸多领域有着广阔的应用前景. 弹性模量是二维材料的基本力学特性参量之一, 对其器件应用及应变调控有重要影响. 受限于二维结构和原子级厚度特征, 难以实现二维材料弹性模量的精确测量. 双模原子力显微镜的振幅调制-频率调制模式是一种高效测量二维材料杨氏模量的方法, 但刚性衬底对测量结果的影响不可忽视. 本工作通过双模原子力显微镜直接测得衬底与二维硫化钼的杨氏模量分布图, 并基于有限厚度模型对衬底效应进行修正, 得到了样品的本征杨氏模量值. 利用第一性原理计算得到了二维二硫化钼的弹性系数和杨氏模量, 对比发现实验和计算结果相当. 这说明双模原子力显微镜测量是一种可靠的二维材料杨氏模量直接测试方法, 且该方法无需制备悬空二维材料等繁琐步骤, 避免了常规测试中的不足. 本工作为大面积二维材料薄膜力学性能的程序化测试分析以及高通量力学实验数据的统计分析提供了可靠的实验基础.      

纳米压痕法测磁控溅射铝薄膜屈服应力

为了在考虑残余应力下测量出磁控溅射铝薄膜的屈服应力,提出了一种实验测量方法,通过曲率测试法和球形压头纳米压痕法测出磁控溅射铝薄膜的屈服应力．建立球形压痕力学模型,并用ANSYS对球形压痕进行力学有限元仿真,利用直流磁控溅射技术在硅基上淀积一层1 μm厚的铝薄膜,首先通过曲率测试法测量膜内等双轴残余应力,再利用最小二乘曲线拟合法从薄膜/基底系统的球形压头纳米压痕实验数据中提取出铝薄膜的屈服应力,测得磁控溅射铝薄膜的屈服应力为371 MPa．该方法也可以用来研究其他材料的薄膜和小体积材料的力学特性．     

多层二维材料纳米压痕实验研究

多层二维材料在诸多应用领域拥有广阔的前景,其力学性能是保证材料和器件性能与服役寿命的关键性因素。然而,在以往的力学表征中,其层间耦合作用对于力学性能测量的影响往往被忽略,对随着厚度增加而带来的弯曲刚度效应也缺乏相应关注。本文基于原子力显微镜的纳米压痕技术研究了多层石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼的力学行为,实现了其力学性能的准确测量。实验结果表明,随着二维材料片层厚度的增加,受弯曲刚度影响,其力学行为从薄膜特征向线性板特征转变。对于表现出板行为的材料,我们采用"柔度法"计算其杨氏模量,所得数值与薄膜行为的求解较为一致。同时,我们发现多层二维材料体系中,由于层间相互耦合作用较弱,在变形过程中容易引起层间相对滑移,因而造成所测力学性能的弱化。本文的工作不仅发展了一种测量厚层二维纳米材料力学性能的方法,还揭示了层间耦合作用对于多层二维材料变形行为的影响,为探究二维异质结的结构-性能关系乃至微纳器件的制备加工提供了新的思路。     

碳化硅薄膜的力学性能测试分析

对利用射频磁控溅射及真空退火方法在(100)硅晶片衬底上制备的纳米晶碳化硅(SiC)薄膜,用纳米压痕仪进行了力学性能测试分析。纳米压痕技术测试给出两块SiC薄膜样品I和II的弹性模量/硬度分别约为106GPa/9.5GPa和175GPa/15.6GPa。纳米划痕技术测试两块SiC薄膜的摩擦系数分别约为0.02~0.15和0.05~0.18,显示出良好的润滑性能;对薄膜的临界附着力等进行测量以评价膜基结合强度,分析了划痕过程中薄膜近表面弹塑性变形和断裂信息。在原子力显微镜下对SiC薄膜样品的初始表面及残余压痕和划痕形貌进行了观察分析,与测试结果相符。综合比较,样品II的整体性能优于样品I。本文中薄膜的弹性模量和硬度值较低可归因于制膜技术的不同和表层碳含量偏高。     

TA2表面磁控溅射CNx/SiC薄膜的纳米压痕与摩擦磨损性能

采用室温磁控溅射技术在工业纯钛(TA2)表面制备出氮化碳/碳化硅(CNx/SiC)双层薄膜,SiC为中间层.研究了CNx薄膜的纳米压痕行为和摩擦磨损性能.试验结果表明:CNx薄膜的纳米硬度(H)为15.80 GPa,杨氏弹性模量(E)为130.88 GPa,硬度与弹性模量比值(H/E)为0.121;与φ4mm的氮化硅球对摩,在载荷1.96 N、室温Kokubo人体模拟体液条件下,CNx薄膜的磨损速率为10-6mm3/(m·N)级,摩擦系数约为0.124,磨损后薄膜未出现裂纹和剥落.分析表明,薄膜具有的良好抗磨性能与其H/E高、抗腐蚀性强以及摩擦系统摩擦系数低相一致.     

二维材料曲面生长:力学与化学的邂逅

理解二维材料在曲面上的生长形态和机制具有重要的理论和应用价值,但现有关于二维材料曲面生长的力学行为及形貌演化规律的研究极为缺乏.二维材料曲面生长会导致薄膜变形及其相关的应力/应变.这类应力可引发二维材料的滑移、屈曲、褶皱、断裂和离面运动等二次力学行为,并直接与生长反应耦合,进而改变材料的生长过程.与化学能和表面扩散主导的平面生长不同,曲面生长二维材料的形貌受曲面几何形状和材料力学行为的共同影响,会产生更为复杂多样的生长形貌.通过总结国际上相关研究进展,剖析了模拟曲面生长二维材料所面临的科学问题,并论述了如何结合原子模拟(如分子动力学和蒙特卡罗模拟)与唯象理论(如相场方法)开展多尺度计算研究,再辅以实验揭示二维材料曲面生长规律.     

灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度研究

采用纳米压痕技术和数值模拟研究灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.利用原位纳米力学测试与分析系统,测试灵芝孢子孢壁的弹性模量和硬度.得到了载荷--位移曲线图和硬度、弹性模量随压痕深度变化的值.并用有限元方法模拟压痕过程,利用ANSYS软件,按照灵芝孢子孢壁和Berkovich压头的结构,建立了二维计算模型,得到纳米压痕的等效应力分布以及压痕过程中加载和卸载时的载荷--位移曲线.考察了摩擦、压头尖端半径对模拟结果的影响.结果显示:灵芝孢子孢壁的平均弹性模量为2.0GPa,硬度为0.13GPa.模拟结果在趋势上与实验结果有较好的吻合,与理论分析的载荷--位移关系基本一致.摩擦、压头尖端半径小于100nm时对模拟结果不会造成明显影响.研究结果为分析孢子的破壁机理提供必要参数.     

Ti、TiN、TiO2改性层的纳米力学性能测试与分析

采用等离子表面合金化技术,分别在316L不锈钢表面制备出渗Ti改性层、渗TiN改性层和TiO2改性层薄膜.使用连续刚度法,从截面方向和表面方向对改性层进行纳米压痕实验,研究改性层的纳米力学性能.实验测得材料在压痕过程中的载荷—位移曲线以及硬度和模量随压入深度的连续变化值.结果表明,改性层纳米力学特性表现为各向异性;TiN改性层的力学性能表现良好.TiO2改性层由渗Ti改性层经氧化制成,二者的弹性模量和硬度在截面方向上变化规律相似,在表面方向上数值相近.