基于原位电子显微学的振动测量技术

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：1996年，Treacy等在透射电子显微镜中首次发现，多壁碳纳米管的自由端因本征热振动而变得模糊［图6-1、］。进而，他们推导了热振动平均幅度与弹性模量和绝对温度的关系，从中估算，MWCNT的弹性模量可达1.8 TPa，接近于完美的石墨片的层内模量。Treacy等的报道因首次证实了CNT的超高弹性模量而受到普遍重视［7］。1999年，王中林教授等创新地提出了测量单根纳米线（管）弹性模量的原位电致振动方法。

1996年，Treacy等在透射电子显微镜（TEM）中首次发现，多壁碳纳米管（MWCNT）的自由端因本征热振动而变得模糊［图6-1（a）、（b）］。进而，他们推导了热振动平均幅度与弹性模量和绝对温度的关系，从中估算，MWCNT的弹性模量可达1.8 TPa，接近于完美的石墨片的层内模量。Treacy等的报道因首次证实了CNT的超高弹性模量而受到普遍重视［7］。而热振动的幅度和样品局部温度都很难准确测量，这限制了热振动方法的实际应用。

1999年，王中林教授等创新地提出了测量单根纳米线（管）弹性模量的原位电致振动方法。如图6-1（c）所示，他们对TEM样品杆进行了改造：在一端固定的纳米线（管）对面安装一个金属电极，在电极和样品之间施加频率可调的交变电压，以电场力激发纳米线的共振。如图6-1（d）～（f）所示。根据Euler-Bernoulli梁理论，纳米线的固有频率ω1与轴向的弹性模量（弯曲模量）E存在以下关系［9］

pagenumber_ebook=147,pagenumber_book=139

其中L、I、ρ、A分别为纳米线（管）的长度、惯性矩、密度和截面积，对于悬臂梁，β1L=1.875。电致振动是应用最为广泛的实验纳米力学方法之一，目前已报道了ZnO［10-11］、GaN［12-13］、WO3［14］、Si［15］、Ge［16］等多种纳米线的弹性模量及其尺寸效应。彭练矛教授等还基于Timoshenko梁理论提出了同时测量MWCNT的弹性模量和剪切模量（G）的方法［17-18］。

pagenumber_ebook=148,pagenumber_book=140

图6-1　多壁碳纳米管

（a）300 K　（b）600 K下CNT自由端（箭头所指）的本征热振动［6］　（c）TEM原位样品杆ｘ［8］（d）CNT的本征热振动　（e）电致振动的一阶振型　（f）二阶振型［9］

清华大学朱静老师领导的研究小组发展了扫描电子显微镜（SEM）中的原位力学实验。设计制造了用于SEM的原位纳米操纵台，如图6-2所示，前端安装电化学腐蚀方法制备的钨针尖，针尖尖端的曲率半径为20～50 nm，通过机械调节可使针尖在三维空间中平移，并绕Θ轴旋转；通过末端的电缆接口连接信号发生器，可在钨针尖和纳米线之间施加频率可控的交变电压，从而实现SEM中的原位电致振动测量。基于振动动力学方程，当纳米线与针尖处于不同相对位置时，存在两种不同的振动模式（图6-3）：当纳米线受到横向电场力，且Ω=ω1或时，可发生受迫共振；而当纳米线受到轴向电场力，且Ω=ω1或2ω1时，可发生参数共振。在其他一般受力状态下，Ω和ω1、ω1、时都可能激发共振。这一研究从理论上保证了固有频率的正确判定，并提供了简单可行的实验方法，从而为弹性模量的准确测量奠定了基础。

pagenumber_ebook=149,pagenumber_book=141

图6-2　原位纳米操纵台

（a）用于SEM的原位纳米操纵台［19］　（b）操作台前端安装的钨针尖［20］

pagenumber_ebook=149,pagenumber_book=141

图6-3　纳米线的两种电致振动模式［21］

此外，电致振动行为在基于CNT的纳机电系统（NEMS）和器件中得到广泛的应用。比如，利用固有频率对微小质量变化非常敏感的性质，发展了分辨率高达10～21 g（这个精度已能够检测单个Au原子）的质量探测器［22-24］，甚至能够检测原子来的方向和附着的位置。利用电致振动的超高品质因数和CNT的场发射行为，Zettl等还实现了基于单根CNT的收音机［25］。

基于原位电子显微学的振动测量技术

相关推荐