一种用于控制微纳应变的装置及其微纳应变测量方法

摘要

本发明公开了一种用于控制微纳应变的装置及其微纳应变测量方法，包括千分尺，千分尺的固定套管上设有框架，框架内设有导轨，导轨与千分尺上的测微螺杆平行设置，导轨上设有平台，平台与导轨之间滑动配合，平台沿导轨滑动方向的一侧与千分尺上的测微螺杆连接，平台沿导轨滑动方向另一侧的导轨上设有弹簧，平台沿滑动方向的一侧边与框架的一侧边之间放置有柔性衬底，柔性衬底上附着有量子薄膜材料，柔性衬底的一边通过第一压条固定在框架上，柔性衬底的另一边通过第二压条固定在平台上的一侧边；通过旋转千分尺上的微分筒驱动测微螺杆移动使得量子薄膜材料沿平台的滑动方向受到拉伸应变或压缩应变。

说明书

技术领域

本发明涉及微米、纳米级材料的测量设备及测量方法技术领域，具体涉及一种用于控制微纳应变的装置及其采用用于控制微纳应变的装置测量微纳应变的方法。

背景技术

随着工业和科学研究的迅速发展，目前人类正在积极开展和进行微观领域的学术研究和实际应用，随着原子力显微镜的发明，使制造业向着微、纳米级别靠近，这就对传统的信息获取手段和技术提出了更高要求。就微位移测试系统来说，目前用于获取微位移的微位移传感器的主要结构形式有：

光学传感器，即激光干涉仪，激光干涉薄膜等，是应用光学原理进行测量，此类技术现在已经成熟，分辨率可以达到1nm左右。但是，其相对高昂的价格和需要较大的空间以放置装置设备，对于大规模应用于工业、教学和科研等领域受到了极大的限制。

化学传感器，利用化学反应测量位移，此种传感器抗干扰能力差，响应频率低，还没有能够大规模适用于生产和科研。

电容传感器，电容传感器具备很高的分辨率和响应频率，而且在实际生产和科研中有一定的应用，但是电容传感器中的电容膜片加工工艺要求严格，极容易产生加工制造误差，进而影响传感器的精度，电容传感器的行程小，线性度差，这一点也影响了其使用范围。

材料的力学性能是标称材料的一个重要方面，而应变对于材料本身的物理性能有着巨大的影响。早在1932年，应变对晶体电子学的影响就开始引起广泛的研究，后来利用应变改良半导体器件，已经成为半导体工业中一种不可缺少的技术。尤其是在近来发展迅猛的低维材料中，如纳米管，纳米线，纳米薄膜和单层石墨烯等，力学性能更为优越，同时应变对于材料本身的物理性能影响也更加显著。并在很多情况下表现出强烈的尺度依赖效应。由此对于微观尺度准一维微/纳米材料的力学性能测试以及研究应变(尤其是非均匀应变)对其物理性能的影响显得尤为重要，并且引起了人们对其广泛的研究。并发展出了几种广泛使用的纳米材料应变加载的方法。

最近，应变在物理学领域的研究已经成为一个热点，在实验上对量子薄膜材料微纳应变进行有效的控制，将会对应变的研究产生巨大的推动作用。然而，在现有的市场上，还无法买到基于Raman条件下，对量子薄膜材料微纳应变进行有效的控制的简易装置。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种方法简单，成本低，却能对量子薄膜材料微纳应变进行有效的控制，而且可以大大降低实验成本的用于控制微纳应变的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于控制微纳应变的装置，所述装置包括千分尺，在所述千分尺的固定套管上设有框架，在所述框架内设有导轨，所述导轨与千分尺上的测微螺杆平行设置，在所述导轨上设有平台，所述平台与导轨之间滑动配合，所述平台沿导轨滑动方向的一侧与千分尺上的测微螺杆连接，在所述平台沿导轨滑动方向另一侧的导轨上设有弹簧，在所述平台沿滑动方向的一侧边与框架的一侧边之间放置有柔性衬底，在所述柔性衬底上附着有量子薄膜材料，所述柔性衬底的一边通过第一压条固定在框架上，所述柔性衬底的另一边通过第二压条固定在平台上的一侧边；通过旋转千分尺上的微分筒驱动测微螺杆移动使得量子薄膜材料沿平台的滑动方向受到拉伸应变或压缩应变。

为了能够简单精准地检测到微米、纳米级量子薄膜材料的受力应变状态，优选的技术方案是，所述千分尺为可精确到1um的千分尺。

为了简化测量装置的结构，降低测量装置的成本，优选的技术方案还有，所述框架为矩形。

为了便于平台的平稳移动，进一步优选的技术方案还有，所述导轨为两根平行导轨。

为了更好的发挥千分尺测量精准的性能，尽量消除测量误差，进一步优选的技术方案还有，所述弹簧为压簧。

为了确保量子薄膜材料受力后的应变量与衬底材料的应变量保持一致，进一步优选的技术方案还有，所述柔性衬底为固化的聚二甲基硅氧烷。

为了防止柔性衬底材料被牢固地夹持在框架及平台上，进一步优选的技术方案还有，在所述第一压条、第二压条与框架之间设有双面不干胶粘接膜。

为了能够有效的控制千分尺对量子薄膜材料的拉应力或压应力，优选的技术方案还有，在所述千分尺的一侧设有测力装置和测力旋钮。

本发明的另一个目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种方法简单，成本低，却能对量子薄膜材料微纳应变进行有效的控制，而且可以大大降低实验成本的采用用于控制微纳应变的装置测量微纳应变的方法。

为实现上述目的，本发明的另一个技术方案是设计一种采用用于控制微纳应变的装置测量微纳应变的方法，所述微纳应变测量的方法包括如下测量步骤：

S1：选取可精确到1um的千分尺；

S2：在千分尺上安装矩形框架，在框架内设置有导轨，所述导轨与千分尺上的测微螺杆平行设置，在所述导轨上设置有滑动配合的平台，将平台的一端与千分尺上的测微螺杆连接，在所述平台另一端的滑轨上设有弹簧；

S3：在一块柔性衬底材料上附着有量子薄膜材料；

S4：将附着有量子薄膜的柔性衬底材料放置在所述平台移动方向的一边及与其相对应框架的一边之间；

S5：将所述柔性衬底的一边通过第一压条固定在框架上，将所述柔性衬底的另一边通过第二压条固定在平台上的一侧边；

S6：通过旋转千分尺上的微分筒驱动测微螺杆移动使得量子薄膜材料沿平台沿滑动方向受到拉伸应变或压缩应变。

其中优选的技术方案是，所述柔性衬底材料为固化的聚二甲基硅氧烷。

本发明的优点和有益效果在于：本发明所述的用于控制微纳应变的装置及其采用用于控制微纳应变的装置测量微纳应变的方法具有方法简单，成本底，却能对量子薄膜材料微纳应变进行有效的控制，而且可以大大降低实验成本等特点，能对量子薄膜材料微纳应变进行有效控制。量子薄膜材料即二维纳米层状材料、如：二维的过渡金属硫属化合物、石墨烯、磷烯等。

附图说明

图1是本发明用于控制微纳应变的装置的结构示意图；

图2是在本发明用于控制微纳应变的装置作用下量子薄膜材料应变状态的示意图；

图3是在本发明用于控制微纳应变的装置作用下量子薄膜材料应变状态的光谱图，图3中：photoluminance intensity(光致发光强度)。

图中：1、千分尺；1.1、固定套管；1.2、测微螺杆；1.3、微分筒；1.4、测力装置；1.5、测力旋钮；2、框架；3、导轨；4、平台；5、弹簧；6、柔性衬底；7、第一压条；8、第二压条。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明是一种用于控制微纳应变的装置，所述装置包括千分尺1，在所述千分尺1的固定套管1.1上设有框架2，在所述框架2内设有导轨3，所述导轨3与千分尺1上的测微螺杆1.2平行设置，在所述导轨3上设有平台4，所述平台4与导轨3之间滑动配合，所述平台4沿导轨3的滑动方向的一侧与千分尺1上的测微螺杆1.2连接，在所述平台4沿导轨3滑动方向另一侧的导轨3上设有弹簧5，在所述平台4沿滑动方向的一侧边与框架2的一侧边之间放置有柔性衬底6，在所述柔性衬底6上附着有量子薄膜材料，所述柔性衬底6的一边通过第一压条7固定在框架2上，所述柔性衬底6的另一边通过第二压条8固定在平台4上的一侧边上；通过旋转千分尺1上的微分筒1.3驱动测微螺杆1.2移动使得量子薄膜材料沿平台4的滑动方向受到拉伸应变或压缩应变。

为了能够简单精准地检测到微米、纳米级量子薄膜材料的受力应变状态，本发明优选的实施方案是，所述千分尺1选用为可精确到1um的千分尺。

为了简化测量装置的结构，降低测量装置的成本，本发明优选的技术方案还有，所述框架2为矩形，可选用金属框架或选用塑料框架。

为了便于平台4的平稳移动，本发明进一步优选的实施方案还有，所述导轨3为两根平行导轨。

为了更好的发挥千分尺测量精准的性能，尽量消除测量误差，本发明进一步优选的实施方案还有，所述弹簧5可选用压簧。

为了确保量子薄膜材料受力后的应变量与衬底材料的应变量保持一致，本发明进一步优选的实施方案还有，所述柔性衬底6为固化的聚二甲基硅氧烷。

为了防止柔性衬底材料被牢固地夹持在框架及平台上，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述第一压条7、第二压条8与框架2之间设有双面不干胶粘接膜。

为了能够有效的控制千分尺对量子薄膜材料的拉应力或压应力，本发明优选的实施方案还有，在所述千分尺1的一侧设有测力装置1.4和测力旋钮1.5。

如图1所示，本发明的另一个实施方案是设计一种采用用于控制微纳应变的装置测量微纳应变的方法，所述微纳应变测量的方法包括如下测量步骤：

S1：选取可精确到1um的千分尺1；

S2：在千分尺1上安装矩形框架2，在框架2内设置有导轨3，所述导轨3与千分尺1上的测微螺杆1.2平行设置，在所述导轨3上设置有滑动配合的平台4，将平台4的一端与千分尺1上的测微螺杆1.2连接，在所述平台4另一端的滑轨3上设有弹簧5；

S3：在一块柔性衬底6材料上附着有量子薄膜材料；

S4：将附着有量子薄膜的柔性衬底6材料放置在所述平台4移动方向的一边及与其相对应框架2的一边之间；

S5：将所述柔性衬底6的一边通过第一压条7固定在框架2上，将所述柔性衬底6的另一边通过第二压条8固定在平台4上的一侧边；

S6：通过旋转千分尺1上的微分筒1.3驱动测微螺杆1.2移动使得量子薄膜材料沿平台沿滑动方向受到拉伸应变或压缩应变。

其中优选的实施方案是，所述柔性衬底6材料为固化的聚二甲基硅氧烷。

实施例1

如图1所示，本发明提供控制量子薄膜材料中微纳应变的装置以及这一微纳应变可控装置的制造方法。在一实施例中，量子薄膜材料制备在固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性衬底6上。一个可精确到1um的千分尺1固定在框架2的右挡板上可推动平台4向左移动，平台4通过两根导轨3固定可左右移动，在框架2的左挡板和平台4中间的导轨3上各有一根处于压缩状态的弹簧5，使平台始终承受一个向右的推力。将已经制备了量子薄膜材料的柔性衬底6PDMS用第一压条7固定在框架2的右挡板和平台4之间，可通过控制千分尺1对量子薄膜材料施加可控的微纳拉伸应变；而将已经制备了量子薄膜材料的柔性衬底6(PDMS)用第二压条8固定在框架2的左挡板和平台4之间，则可通过控制千分尺1对量子薄膜材料施加可控的微纳压缩应变。

本发明能对量子薄膜材料微纳应变进行有效控制，如图2中三角形的PbI2纳米片在拉力的作用下开始断裂，并在纳米片内部表现出了拉伸应变，因此出现了图3中对PbI2光致发光(PL)的调制。其中PbI2中文名为二碘化铅，是一种二维材料，我们可以把PbI2纳米片看做是一种量子薄膜材料。光致发光是指物体依赖外界光源进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光的现象。激发导致发光的过程和材料的能带有着直接的关系，而对材料施加应力的调控能够调控材料的能带，进而调控其光致发光。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。