单晶硅纳米力学性能的测试
硅单晶电阻率的测试
作业指导书
1、准备材料
样品检验工作台 硅片 四探针测试仪
2、实验步骤
1、插好电源线、四探针连接线，检查保险丝有无松动； 2、打开电源开关，此时数字表各控制开关均有指示灯亮； 3、观察控制开关，将按钮置于“1mA”，“ρ”，“校准”； 4、调节粗调、细调旋钮，使数字表上的数字和厚度修正系数表上的数一 致，即I=C； 5、将最右端的按钮置于“测量”状态，此时数字表上显示为实测样品电 阻率； 6、选择电流：电阻率≤1欧姆•cm 时选用10mA挡测试； 7、将按钮调置“校准”，调节数字表上数字与厚度修正系数表上的值相 等。将按钮置于“测量”读出数就为电阻率； 连续测十次，每次样品旋转20°左右，再求平均值。
2片 符合检验要求
检验日期 检验依据
2013-9-17 国标GB/T1552-1995
1~2mm 2×9.8N 李川、钟宇健、陈涛
委托检验
Hale Waihona Puke 探针间距 和探针压 力 测量者
测量电 流 测量日
1mA、10mA
2013、9、17
3、测试结果
次数 1 2 厚 6 0.63 0.63 度 0.5 0.56 0.55 (mm） 3 4 5 6 7 8 0.64 0.63 0.65 0.64 0.64 0.64 0.55 0.56 0.54 0.53 0.54 0.54 9 10 0.63 0.64 0.55 0.55 平均值 0.637 0.547
4、探针法测电阻率的测准条件
1、任意探针到样品边缘的最近距离和样品厚度必须大于3倍针距； 2、压探针时，用力不要过大。在硅片上做标记的时候，一定要放在平坦的桌面 上进行，以免划破硅片； 3、四探针与样品应有良好的欧姆接触，为此探针应该比较尖，接触点应是半球 形，且接触半径应远远小于针距； 4、电流在测试期间要保持恒定； 5、由于样品表电阻可能分布不均,测量时应对一个样品多测几个点,然后取平均值； 电流在测试期间要保持恒定。
纳米压入法微机械材料力学性能测量不确定度的影响因素分类及评价
关 键 词 ： 纳 米 压 人 ； ＭＳ 力 学 性 能 ； 确 定 度 ＭＥ ； 不
定力 学性 能 参数 多 以 及易 装 夹等 特点 ，迄 今 为止 ，压
入 法仍 是微 机 械 材 料 力学 性 能 测 量 中 应 用 最 广 的 一 种 方 法 。微 机械 材 料力 学 性 能主 要包 括 硬度 、 弹性 模
量、 屈服 强 度 、 裂 韧性 和 应 变硬 化 等 。 断 由于 ＭＥ ＭＳ元 件和 薄膜 的尺 寸越 来 越 小 ，压 入 深 度要 求 愈来 愈 浅 ，
２ 基 本 原 理
压 入法 的基 本 原理 是 ： 压头 在高 精 度加 载 机构 驱 动下 连续 对 试样 进 行压 入 ， 达 到所 设定 的最大 压 入 待 载荷 或 深 度后 ，即刻 或 在 最 大 载荷 保 持一 定 时 间后 ， 压 头 在该 机 构 驱 动 下卸 载 至零 。在 加 载 和 卸 载 过 程
纳米压入 法微 机械 材 料 力学性能测 量不确定 度 的影 响 因素分 类及 评 价
赵 则祥 １，蒋庄 德 ， 海 容 ， ２ 王
（ １西 安 交 通 大 学 ， 西 陕 西 安 ７ ０ ４ ） １ ０ ９ ４ ００ ） ５ ０ ７ （ 中原 工 学 院 ， 南 郑 州 ２ 河
摘
要 ：在 介 绍 纳 米 压 人 法 微 机 械 力 学 性 能 测 量 原 理 的基 础 上 ， 出 了纳 米 压 人 法 微 机 械 材 料 力 学 性 能 测 量 不 确 定 度 的 提
纳米材料的力学性能测试与分析
纳米材料的力学性能测试与分析随着纳米科技的迅速发展，纳米材料在各个领域中的应用越来越广泛。
然而，由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米材料的力学性能测试与分析变得更加困难和复杂。
本文将介绍纳米材料力学性能的测试方法和分析技术，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
一、力学性能测试的方法1. 压痕测试法压痕测试法是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过在纳米材料表面施加一定压力，通过观察压痕的产生和扩展来推断纳米材料的硬度和弹性模量等力学参数。
压痕测试法具有简单、快速的优势，并且适用于各种纳米材料。
2. 拉伸测试法拉伸测试法是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过将纳米材料拉伸至破裂点，测定其应力-应变曲线，并计算出纳米材料的屈服强度、断裂韧性等力学参数。
拉伸测试法可以提供更全面和详细的力学性能信息，但对仪器设备和材料标本制备等要求较高。
二、力学性能分析的技术1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于物理原理的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在原子尺度上的行为。
通过建立原子级别的力场模型和运动方程，可以模拟纳米材料的结构演化、应力分布等力学性能表现。
分子动力学模拟可以提供丰富的细节信息，但计算复杂度较高。
2. 有限元分析有限元分析是一种基于数值计算的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在宏观尺度上的行为。
通过将纳米材料离散化为有限数量的单元，并考虑边界条件和加载情况，可以计算出纳米材料的应力分布、形变情况等力学性能参数。
有限元分析具有较高的计算效率和适用性。
三、实际应用与挑战纳米材料的力学性能测试与分析在材料科学、机械工程等领域中具有重要的应用价值。
能够准确了解和评估纳米材料的力学性能，对于设计和制造具有优异性能的纳米材料产品具有重要意义。
然而，纳米材料的力学性能测试与分析也面临一些挑战。
首先，纳米材料的尺度效应和表面效应使得传统力学理论无法直接适用于纳米材料的力学性能预测和分析。
其次，针对纳米材料的测试方法和分析技术需要更高的精度和灵敏度，以满足纳米材料特殊性能的需求。
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究
原子力显微镜测量高分子纳米材料力学性能探针选择的研究张慧;董彬【摘要】In this paper ,we studied the influence of the polymer single crystal thickness and the tip spring constant (k) on the test results of the mechanical measurement using the atomic force microscopy . The experiment shows that the substrate has a great influence when the sample is too thin ,and when the tip spring constant(k) is low ,the mechanical property is lower than the true value .A appropriate k can make the measure results more close to its true value .%以高分子单晶为测试样本，主要研究了利用原子力显微镜（A FM ）对高分子纳米材料进行力学性能测试时样本的厚度和探针的弹性系数（k ）对其测试结果的影响。
结果表明测试的样本厚度比较低时测试结果受基底影响较大；在样本确定足够厚度的前提下，探针采用k值过小的探针得到的测试值偏低，采用合适k值的探针才能得到较接近真实值得测试结果。
【期刊名称】《分析仪器》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】4页(P69-72)【关键词】原子力显微镜;探针;杨氏模量;高分子单晶【作者】张慧;董彬【作者单位】苏州大学分析测试中心，苏州 215123;苏州大学功能纳米与软物质研究院，苏州 215123【正文语种】中文原子力显微镜(AFM)现在已经成为表征材料的表面形貌的一种重要手段。
纳米压痕有缺陷单晶硅的分子动力学分析
0引言
硅错等半导体因为具有高物理强度、耐磨性、耐高 温、耐腐蚀、抗氧化等特性,使其可以承受高分子材料 和金属材料难以应用的恶劣工作环境。随着科技和工 业的发展,微电子工业市场对这种材料的需求也日益 突出*1-+。但是，脆性材料总是包含一系列缺陷，其中 之一就是裂纹⑷。许多研究表明，纳米结构材料的机 械断裂与裂纹的形核和扩展直接相关[5]&所以研究纳 米裂纹在加工过程中的演变方式以及内在机理以延长 工件的使用寿命显得尤为重要。
( School of Mechanical Engineering, Guizhou Unmersity, Guiyang 550000, China) Abstracc: In order to study the effect of nano cracks in monocrystaaine silicon on the machining process, a molecular dynamics model of nano indentation in monocrysallme silicon was established. In this study, theinfluenceofdiferentindentation 2peed on theevolution ofnano crack2in monocry2taline2ilicon wa2 analyzed. The nanoindentation process, temperature change, potential energy change, loading forcc, crack propagation and coordination number were studied. The results show that the nano cracks in the workpieca tend to heal during the loading process ； The higher the indenter loading speed is, the higher the tempera ture of the nano indentation zone of the workpieca is, and the greater the potential energy is, but the load ing speed hasiteefecton the/oad variation trend； In addition, theamountofBct5 Siand SiIin the workpiecedecreasessignificanty dueto nano cracks.Thisstudy providestheoretica/guidanceforthepractica/procesing ofmonocrystainesiicon semiconductorswith defects. Key wors： molecular dynamics ； nano crack ； nano indentation
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读
纳米科技材料的性能测试方法与标准规范解读随着科技的高速发展，纳米科技已经成为各个领域的热门研究方向，纳米材料的性能测试方法和标准规范对于实现材料的精准设计、可靠应用以及产品的质量控制至关重要。
本文将重点介绍纳米科技材料性能测试方法和标准规范的严格解读。
1. 纳米材料的性能测试方法纳米材料与传统材料相比，具有独特的特性和性能，因此需要采用特殊的测试方法进行性能评估。
以下为常用的纳米材料性能测试方法：1.1 纳米材料的粒径测量纳米材料的粒径对于其性能具有重要影响，因此粒径测量是纳米材料性能测试的首要任务。
常用的方法有透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）等。
1.2 纳米材料的结构表征纳米材料的结构对其性能起着至关重要的作用，因此需要采用一系列的结构表征方法进行测试。
例如，X射线衍射（XRD）用于分析晶体结构；拉曼光谱（Raman）用于研究材料的分子振动和晶格动力学等。
1.3 纳米材料的机械性能测试材料的机械性能是其可靠运用的关键指标之一，对纳米材料的机械性能测试方法进行了大量研究。
常用的方法包括纳米压痕测试（Nanoindentation）、扫描探针显微镜（SPM）和纳米拉伸实验等。
1.4 纳米材料的热学性能测试纳米材料的热学性能对于其在能源、催化等领域的应用至关重要。
因此，研究者们开发了一系列测试方法，如差示扫描量热法（DSC）、热导率测试仪和纳米量热仪等。
2. 纳米材料性能测试的标准规范解读为了保证纳米科技材料性能测试的准确性和可比性，各个国家和国际组织制定了相应的标准规范，以规定测试方法和要求。
下面将重点介绍几个重要的标准规范：2.1 ISO/TS 80004-1:2015该标准主要针对纳米材料的术语和定义进行了规范，为纳米科技材料的研究和应用提供了统一的术语和定义。
它为纳米材料的性质表征和测试提供了一个共同的基础。
2.2 ISO/TS 12901-2:2014该标准规范了纳米材料亲水性和疏水性的测试方法和评价准则，以及纳米颗粒在液体中的分散性评价指标，对于纳米材料的应用和环境影响研究具有重要意义。
纳米材料的力学性能研究方法与技巧
纳米材料的力学性能研究方法与技巧引言：纳米材料的力学性能研究是纳米领域中的一个重要课题。
纳米材料由于其特殊的尺寸效应和界面效应，表现出与传统材料截然不同的力学性能。
准确研究纳米材料的力学性能对于设计和制备具有特定性能的纳米材料具有重要意义。
本文将介绍纳米材料力学性能研究的方法和技巧。
一、纳米材料力学性能的测试方法1. 纳米压痕测试：纳米压痕测试是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过利用压头对材料表面进行压痕，通过测量压头在样本表面产生的形变来计算材料在纳米尺度下的力学性能参数。
纳米压痕测试可以获得材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。
2. 纳米拉伸测试：纳米拉伸测试是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过拉伸样品，测量其应变和应力，通过得到的应力-应变曲线来计算纳米材料的力学性能参数。
纳米拉伸测试可以获得材料的抗拉强度、屈服强度等性能参数。
3. 纳米压缩测试：纳米压缩测试是对纳米材料进行压缩加载，测量力与位移之间的关系，得出纳米材料的力学性能参数。
纳米压缩测试可以用于研究纳米材料的变形行为和力学性能。
二、纳米材料力学性能研究的技巧1. 选取合适的纳米材料：不同类型的纳米材料具有不同的力学性能。
在进行纳米材料力学性能研究前，需要根据具体研究目的选择合适的纳米材料。
考虑纳米材料的结构、成分以及合成方法等因素，选择具有一定代表性的样品进行力学性能测试。
2. 样品制备的标准化：样品制备对于纳米材料力学性能研究的结果具有重要影响。
因此，要确保样品制备的标准化和重复性。
在制备样品时应注意控制纳米颗粒的尺寸、形貌和分散性，避免影响力学性能测试的因素。
3. 合理选择性能测试参数：在进行纳米材料力学性能测试时，需要根据具体样品的特点和测试目的，选择合适的测试参数。
例如，在纳米压痕测试中，应根据样品的硬度范围选择合适的压头，以保证测试结果的准确性。
4. 结合理论计算与实验：纳米材料力学性能的研究需要结合理论计算与实验相结合。
纳米力学基础实验报告
一、实验目的1. 了解纳米力学的基本原理和实验方法。
2. 掌握纳米力学实验仪器的使用技巧。
3. 通过实验验证纳米力学的基本理论。
二、实验原理纳米力学是研究纳米尺度物质力学性质和动力学问题的学科。
在纳米尺度上，物质的力学性质与宏观尺度存在显著差异，如量子尺寸效应、表面效应、尺寸效应等。
本实验旨在通过实验验证纳米力学的基本原理，如胡克定律、杨氏模量、泊松比等。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：- 纳米力学测试系统- 原子力显微镜（AFM）- 扫描隧道显微镜（STM）- 纳米压痕仪- 传感器- 计算机2. 实验材料：- 纳米材料样品（如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等）- 标准样品（如单晶硅、金刚石等）四、实验步骤1. 纳米力学测试系统搭建：将纳米力学测试系统连接至计算机，确保各部件运行正常。
2. 样品制备：将纳米材料样品制备成适合测试的尺寸和形状。
3. 纳米力学性能测试：- 使用AFM测试样品的表面形貌和粗糙度。
- 使用STM测试样品的表面电学性质。
- 使用纳米压痕仪测试样品的杨氏模量和泊松比。
- 使用传感器测试样品的力学响应。
4. 数据处理与分析：将实验数据导入计算机，进行数据处理和分析。
五、实验结果与分析1. AFM测试结果显示，样品表面光滑，无明显缺陷。
2. STM测试结果显示，样品表面电学性质良好。
3. 纳米压痕测试结果显示，样品的杨氏模量为X GPa，泊松比为Y。
4. 传感器测试结果显示，样品的力学响应与理论值基本一致。
六、实验结论1. 本实验成功验证了纳米力学的基本原理，如胡克定律、杨氏模量、泊松比等。
2. 实验结果与理论值基本一致，表明纳米力学实验方法可靠。
3. 纳米力学在纳米材料研究和应用中具有重要意义。
七、实验心得1. 纳米力学实验需要精确的仪器和操作技巧，对实验人员要求较高。
2. 纳米力学实验结果受多种因素影响，如样品制备、测试环境等。
3. 纳米力学实验为纳米材料研究和应用提供了有力支持。
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关纳米尺度下材料力学性能的研究工作已受到 美 、日 、澳 、欧盟等发达国家和地区以及我国部分 高校和科研院所的高度重视 。
在材料纳米力学性能的测试分析中 ,纳米压 痕技术是最为常用的手段 ,借助该项技术人们可 以测得 被 测 试 件 的 硬 度 、弹 性 模 量 等 力 学 参 数[5 , 13214 ] ,借助扫描电子显微镜等设备对测试后 的试件进行观测分析 ,还可发现载荷作用导致的 材料损伤和内部缺陷[2 , 15218 ] ,此外纳米划痕技术 近年来在材料力学性能的研究分析方面也逐渐展 露了头角 。
纳米压痕测试技术目前已较为成熟 ,美国 M TS 和 Hysit ro n 、日本 Elio nix 、瑞士 CSEM 、澳 大利亚 A SI 等公司均有商业化纳米压痕仪产品 。 图 1 为日本 Elio nix 公司出品的 EN T21100 型纳 米压痕仪外观 。
图 2 Vickers 型单晶金刚石压头形状 Fig. 2 Indenter shape of Vickers single crystal diamond
除了金刚石 ,纳米压头的另外一种可选的材 料是蓝宝石 ( Sapp hire) ,虽然蓝宝石没有金刚石 硬 ,但由于其晶体各向异性特性明显弱于金刚石 , 因此适于用来加工球形 、锥形等具有圆形特征的 纳米压头 。针对纳米压头的尺寸 、形状 ,目前国际 已有确定的标准[14] 。此外 ,目前商业化的纳米压 痕仪内部通常具有多种可选的压头加载2卸载方 式 。图 3 为较为常用的压痕测试中压头施加给试 件的加载力大小 (或运动位移) 的时间历程曲线 。
1604
光学 精密工程
第 17 卷
加 ,试样开始发生延性变形 、甚至脆性断裂 ;加载 曲线呈非线性 ,而卸载曲线反映被测物体的弹性 恢复情况 。通过分析加载2卸载曲线可以得到材 料的硬度和弹性模量等参数 ,采用纳米压痕技术 可以测试材料试件的蠕变 、断裂韧性 、疲劳等特 性 。此外 ,纳米压痕技术还被用于测试薄膜力学 性能 、M EMS/ N EMS 微构件的弯曲刚度等特性 。 近年来 ,纳米压痕测试技术已经成为测试材料试 件纳米力学性能的一种主流技术 。就微纳米切削 加工而言 ,借助纳米压痕技术可以从纳米尺度探 求被测材料试件的力学特性 ,进而探索这类材料 的可加工性 ,提高加工精度和刀具使用寿命 。
赵宏伟 ,等 :单晶硅纳米力学性能的测试
1603
under t he nanoindentatio n zo ne inside t he silico n wafer , because t he p ressure aro und t he nanoindenta2 tio n zo ne is different . The testing result of t he hardness of single crystal silico n is abo ut 15. 7 GPa. Key words : single crystal silico n wafer ; nano meter mechanics ; nanoindentatio n ; hardness ; cut ting
赵宏伟1 ,杨柏豪2 ,赵宏健3 ,黄 虎1
(1. 吉林大学 机械科学与工程学院 ,吉林 长春 130022 ; 2. 北京航天计量测试技术研究所力学室 ,北京 100076 ; 3. 浙江大学 材料与化学工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘要 :对材料纳米力学性能测试手段进行了研究 ,着重分析了纳米压痕技术的原理和方法 。结合纳米压痕技术 ,采用尖 端四面体 Vickers 型单晶金刚石压头对单晶硅 (100) 晶面进行了纳米压痕实验测试 。实验发现 ,在载荷为 1 000 mN 时 , 晶体硅出现了明显的裂纹和脆性断裂 ;而在载荷低于 80 mN 的情况下 ,晶体硅则表现出延性特性 。此外 ,在不同载荷条 件下对晶体硅的硬度进行了实验测试 ,测试结果发现 ,不同载荷条件下晶体硅的硬度测量值存在较大的差异 ,认为导致 这种差异的原因在于压痕区域晶体硅所受压力不同 ,使得晶体硅内部结构发生了改变 ,较为准确的单晶硅的硬度测量值 为 15. 7 GPa 。 关 键 词 :单晶硅薄片 ;纳米力学 ;纳米压痕 ;硬度 ;纳米级切削加工 中图分类号 : TN304. 07 文献标识码 :A
Test of nanomechanical properties of single crystal silicon
ZHAO Ho ng2wei1 , YAN G Bai2hao2 , ZHAO Ho ng2jian3 , HU AN G Hu1
(1. Col le ge of M echanical S cience an d Technolog y , J i l i n U ni versi t y , Chan gchun 130025 , Chi na; 2. De p art ment of M echanics , B ei j i n g A eros p ace I nsti t ute f or M et rolog y an d M eas u rement Technolog y , B ei j i n g 100076 , Chi na;
第 17 卷 第 7 期 2009 年 7 月
Op t ic s
光学 精密工程
and Precision Engineeri
ng
Vol. 17 No. 7
J ul. 2009
文章编号 10042924X(2009) 0721602207
单晶硅纳米力学性能的测试
收稿日期 :2008203213 ;修订日期 :2008205229. 基金项目 :高等学校博士学科点专项科研基金 (新) (No . 20081831024) ;吉林省科技项目 (No . SC0704083) ;吉林大学
自然科学种子基金资助项目 (No . 498042320414)
第7期
3. College of Material Science and Chemical Engineering , Zhej iang University , Hangz hou 310027 , China)
Abstract : The testing met hods for nano mechanic p roperties of material s widely used in machining in micro2nano scale , M EMS/ N EMS , bio medical engineering , material sciences etc. are researched and t he main p rinciple and met hods of nanoindentatio n technology are analyzed. By a fo ur2sided Vickers diamo nd indenter wit h a sharpened tip , t he nanoindentatio n experiment s are undertaken to test t he single crystal silico n o n (100) crystal surface wit h t he help of a nanoindentatio n tester . Experiment s show t hat t he brittle crack is occurred aro und t he nanoindentatio n zo ne o n silico n surface when t he maximum load of indentatio n is 1 000 mN . However , t he crystal silico n shows plastic p ropert y when t he maximum load of indentatio n is below 80 mN . Moreover , t he hardness test of t he crystal silico n wit h different loads is carried o ut , and t he testing result s show t hat t he hardness is quite different in different loads. It is explained t hat t he appeared p heno meno n may co me f ro m t he p hase t ransformatio n
p rocess in nano2scale
1 引 言
近年来 ,随着精密定位技术的发展[1] 和刀具 水平的提高 ,以单晶金刚石刀具为加工工具的纳 米级切削加工得到不断发展[224] ;当刀具圆角半径 达到纳米级时 ,利用该方法可完成复杂微小构件 的干式纳米加工 。在纳米级切削加工方面 ,以晶 体半导体材料的纳米级切削加工最引人关注 ,采 用这种方法制备的单晶硅 ( Si) 、锗 ( Ge) 透镜是红 外遥感 、热成像 、暗视野观测等领域尖端设备的首 选元件 ,而针对化合物半导体如磷化铟 ( InP) 、砷 化镓 ( GaA s) 等制备的器件可用于集成电路的基 板或衬底 ,具有较高的理论研究价值和相当的市 场份额 。在日本 ,由晶体锗薄片加工而成的红外 菲涅耳 透 镜 ( Inf rared Fresnel lenses) [4] 价 格 昂 贵 ,且不易获得 。纳米级切削加工过程十分复杂 , 其中被加工材料的纳米尺度力学性能是一个关 键 。近年来微纳机电系统 ( M EMS/ N EMS) 的研 究取得了长足进展 ,部分产品已达到实用化阶段 , 如微压力传感器 、加速度计 、微喷头等 ,但微纳制 造与装配技术的不足和可供实际应用的相关材料 力学性能参数的缺乏[5] 仍在很大程度上制约了 M EMS/ N EMS 技术及相关高技术领域的深入研 究和产业化步伐 ,成为阻碍这项研究的瓶颈 。因 此 ,开展 M EMS/ N EMS 构件的纳米力学性能评 定方法与测试手段的研究具有十分重要的意义 , 已得到国内外众多研究机构的重视[528 , 13 ] 。此外 , 随着新型纳米材料 、生物医学工程的发展 ,研发人 员迫切希望探求纳米尺度下纳米晶体 、纳米管 、薄 膜材料 、生物人体组织等的力学性能和损伤机 制[9213 ] 。这些研究工作推动了相关领域的理论研 究 ,加速了实际开发应用的快速发展 。近年来 ,有