拉曼散射實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變工作臺(tái)設(shè)計(jì)

1、拉曼散射實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)變工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘要石墨烯是sp2碳原子緊密堆積形成的六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維原子晶體， 是構(gòu)建其它sp2雜化碳的同素異形體的基本組成部分，可以堆垛形成三維的石墨，卷曲形成一維的碳納米管，也可以包裹形成零維的富勒烯，是碳材料家族的一顆新星。但直到 2004 年，英國曼徹斯特大學(xué)的 Geim 和 Novoselov 等使用膠帶剝離技術(shù)，才首次成功地制備出了單層石墨烯，這一發(fā)現(xiàn)也推翻了科學(xué)家關(guān)于理想的二維晶體材料由于熱力學(xué)不穩(wěn)定性而不能在室溫下存在的預(yù)言。作為一種理想的二維原子晶體石墨烯具有超高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、巨大的理論比表面積、極高的楊氏模量和抗拉強(qiáng)度，可望在微納電子器件、光電檢測(cè)

2、與轉(zhuǎn)換材料、結(jié)構(gòu)和功能增強(qiáng)復(fù)合材料及儲(chǔ)能等廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此，研究石墨烯相關(guān)力學(xué)性能無疑具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。拉曼光譜是一種快速無損的表征材料晶體結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)、聲子能量色散和電子-聲子耦合的重要的技術(shù)手段，具有較高的分辨率，是富勒烯、碳納米管、金剛石研究中最受歡迎的表征技術(shù)之一，在碳材料的發(fā)展歷程中起到了至關(guān)重要的作用。自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，拉曼光譜技術(shù)成為石墨烯研究領(lǐng)域中一項(xiàng)重中之重的實(shí)驗(yàn)手段。石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷(D 峰)、sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)(G峰)和碳原子的層間堆垛方式(G'峰)等信息均在拉曼光譜中得到了很好的體現(xiàn)。東南大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)系的一個(gè)課題組課題方向?yàn)檠芯渴?/p>

3、的力學(xué)性能，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課題需要利用拉曼光譜儀測(cè)量單層石墨烯的應(yīng)變，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將研究設(shè)計(jì)一個(gè)可以對(duì)單層石墨烯施加應(yīng)變的工作臺(tái)?；诶碚摶A(chǔ)，本文將分析研究通過最優(yōu)的方式對(duì)單層石墨烯施加應(yīng)變，并對(duì)應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做一定的分析。第一章 緒論1.1本項(xiàng)目研究的背景和意義石墨烯1是由單層碳原子通過共價(jià)鍵結(jié)合而成的具有規(guī)則六方對(duì)稱的理想二維晶體, 是繼富勒烯(C60)和碳納米管(CNT)之后的又一種碳質(zhì)新材料，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料的基本結(jié)構(gòu)單元2。這種新型低維碳材料具有極好的結(jié)晶性、電學(xué)質(zhì)量3和力學(xué)性能4,近年來迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最為活躍的研究前沿5。石墨烯具有超高的強(qiáng)度、剛度和韌性,

4、作為增強(qiáng)材料,在納米復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是具有戰(zhàn)略意義的新材料。因此,研究石墨烯的力學(xué)性能具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值6。拉曼現(xiàn)象是由1928年印度科學(xué)家C .VRaman發(fā)現(xiàn)的7，目前拉曼技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)于物理、化學(xué)、材料等很多學(xué)科領(lǐng)域，主要用于檢測(cè)樣品成分、含量、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、缺陷等。將拉曼光譜技術(shù)用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量是近些年來發(fā)展起來的一種新方法，所基于的原理是：拉曼散射光譜可以反映單色光和材料振動(dòng)(固體晶格振動(dòng)，即聲子；氣體或液體中的分子振動(dòng))之間相互作用8,9。固體的變形可以視為微觀晶格變形的統(tǒng)計(jì)學(xué)累加，晶格變形能夠引起聲子振動(dòng)能量的變化并在散射光譜中得以體現(xiàn)，因此可以通過檢

5、測(cè)被測(cè)物體拉曼光譜的變化實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的測(cè)量10。 將拉曼光譜技術(shù)與共焦顯微等先進(jìn)技術(shù)配合，在微尺度實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方面具 有許多特點(diǎn)，例如無損、非接觸、測(cè)量速度快、空間分辨率高、多種激勵(lì)光源使測(cè)量兼?zhèn)溽槍?duì)性和適應(yīng)性、可實(shí)現(xiàn)對(duì)透明/半透明物體內(nèi)部確定深度位置的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試等。拉曼光譜另一個(gè)特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)對(duì)本征應(yīng)力和非本征應(yīng)力的測(cè)量。本征應(yīng)力是指物體中由于晶格缺陷、錯(cuò)配、畸變、疇變等所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，非本征應(yīng)力是指外載荷或材料錯(cuò)配等非物體本質(zhì)因素所導(dǎo)致的應(yīng)力，諸如力與環(huán)境所導(dǎo)致的應(yīng)力。已有的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析通常都是針對(duì)非本征應(yīng)力，因?yàn)榉潜菊鲬?yīng)力與物體的變形有關(guān)，通過測(cè)量物體整體變形便可實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量11。利用拉曼

6、光譜技術(shù)測(cè)量單層石墨烯的應(yīng)變，對(duì)了解石墨烯的力學(xué)性能有很大幫助，并將對(duì)以后的科研、生產(chǎn)等起到重大作用。1.2關(guān)于拉曼散射測(cè)力學(xué)性能的研究拉曼散射的產(chǎn)生原理可簡單地由圖1-描述：當(dāng)頻率為wi的入射激光與聲子（晶格振動(dòng)的簡正模能量量子）頻率為wj的樣品相互作用而發(fā)生能量交換，從樣品散射出的激光里包含著與入射光頻率wi相同的彈性散射光 和兩種新頻率為wi ± nwj的非彈性散射光，其中，彈性散射光稱為瑞利散射，而非彈性散射光則稱為拉曼散射。拉曼散射效率I分別與入 射光和散射光的偏振矢量ei和es有關(guān)，即 I=Cjei*Rj*es2 （1-1） 其中， C是常量， Rj是聲子j的拉曼張量。

7、Loudon推導(dǎo)出了32個(gè)晶類(對(duì)稱點(diǎn)群) 各自的拉曼張量。例如單晶硅有三個(gè)拉曼張量，其在x100， y=010和z=001 的晶體坐標(biāo)系統(tǒng)中分別為Rx=00000a0a0 , Ry=00000aa00,Rz=0a0a00000 （1-2）圖1-1 拉曼散射示意圖圖1-2 直角散射的實(shí)驗(yàn)布局圖1-3 背向散射的實(shí)驗(yàn)布局圖1-4 前向散射的實(shí)驗(yàn)布局根據(jù)式（ 1-1）可知，通過選擇入射光和散射光合適的偏振方向得到不同的幾 何配置，可觀察到不同的拉曼振動(dòng)模（聲子）。 晶體拉曼光譜采用的幾何配置，按入射光和散射光方向之間的夾角來區(qū)別有 以下三種：直角散射散射光的波矢與入射光的波矢成直角（實(shí)驗(yàn)布局如圖1

8、-2所示）；背向散射散射光與入射光的波矢夾角接近 180°（實(shí)驗(yàn)布局如圖1-3）；前向散射散射光與入射光的波矢夾角接近 0°（實(shí)驗(yàn)布局如圖 1-4）。在 實(shí)際拉曼實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采用的是背向散射方式。 式（ 1-1）描述的偏振選擇定則和式（ 1-2）給出的三個(gè)拉曼張量，構(gòu)建了單晶硅材料不同拉曼幾何配置、 不同被測(cè)晶體表面與不同聲子模式散射信息之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，聲子模式分為橫向光學(xué)聲子(TO)或縱向光學(xué)聲子(LO)。具體而言，對(duì)于從單晶硅樣品(001)表面的背向散射，Rx 和 Ry 對(duì)應(yīng)橫向光學(xué)聲子(TO) 產(chǎn)生的散射，分別沿著 x 和 y 方向偏振，而 Rz 對(duì)應(yīng)縱向光學(xué)

9、聲子(LO)產(chǎn)生的散射，沿 z 方向偏振。當(dāng)然，聲子是橫向還是縱向的描述取決于觀察散射的表面。 對(duì)于(100)表面的背向散射，Rx 對(duì)應(yīng) LO 聲子。因此，通過變換拉曼系統(tǒng)幾何配置和被測(cè)晶體表面，可以選擇性觀察到單晶硅聲子模式的散射信息。例如，(001) 表面的背向散射，只能觀察到沿 z 向偏振的聲子(Rz 模)。 拉曼光譜是由若干聲子模所對(duì)應(yīng)的特征峰組成的， 例如單晶硅無應(yīng)變狀態(tài)下 的拉曼光譜為一個(gè)三重簡并光學(xué)聲子的單峰，如圖 1-7 所示。晶格的變形會(huì)導(dǎo)致 晶格振動(dòng)能量的變化，從而引起拉曼特征峰頻率的變化，例如，拉應(yīng)力使硅的晶格變長，將導(dǎo)致拉曼峰向低頻方向移動(dòng)。由于晶體的宏觀變形（應(yīng)變）可

10、以視為 微觀晶格變形的統(tǒng)計(jì)學(xué)累加， 因此可以通過檢測(cè)被測(cè)物體的拉曼頻移變化實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變（或應(yīng)力）的測(cè)量。圖1-5無應(yīng)變時(shí)單晶硅的拉曼光譜。箭頭指示出了單軸拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下 拉曼峰的移動(dòng)方向1.3拉曼光譜測(cè)應(yīng)力的應(yīng)用研究拉曼光譜技術(shù)近年來在半導(dǎo)體與 MEMS 微結(jié)構(gòu)、低維膜材料、纖維復(fù)合材料、碳納米管材料等領(lǐng)域的力學(xué)測(cè)量中得到了快速應(yīng)用，下面介紹部分相關(guān)研究工作。一、 半導(dǎo)體與MEMS微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測(cè)量拉曼光譜技術(shù)在半導(dǎo)體與 MEMS 微結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用。Wolf等測(cè)量了 MEMS 系統(tǒng)中凹槽附近的工藝殘余應(yīng)力，研究了微梁在載荷作用下的應(yīng)力以及電子封裝焊點(diǎn)導(dǎo)致的熱應(yīng)力分布等問題；Q

11、ian 與 Zhao 等使用微拉曼光譜法配合數(shù)值模擬分析了 MEMS 微流量計(jì)中懸臂梁結(jié)構(gòu)的二維應(yīng)力分布。最近，Wermelinger 等給出了 ZnO 單晶棱柱面上微壓痕附近的殘余應(yīng)力分布；Batten 等同時(shí)探測(cè)了運(yùn)行的 AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管的溫度和熱應(yīng)力；Pan 等分析了絕緣硅晶圓和硅 MEMS 膜的殘余應(yīng)力及其變化。 二、低維膜材料的殘余應(yīng)力檢測(cè)在薄膜材料殘余應(yīng)力檢測(cè)方面，微拉曼光譜法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻?jīng)典的基片曲率法通過測(cè)量薄膜材料的翹曲變形，基于固體力學(xué)的平面假定反算出薄膜材料的殘余應(yīng)力，對(duì)于厚膜結(jié)構(gòu)、多層膜結(jié)構(gòu)、局部應(yīng)力大等情況會(huì)存在較大誤差。Kemdehou

12、ndja 等用微拉曼光譜法研究了Cr2 O3 薄膜中沿著氣泡的殘余應(yīng)力分布 ；Wermelinger 等用硅作為應(yīng)變計(jì)量材料，測(cè)量了金屬鋁薄膜中的應(yīng)力隨溫度的變化；Ahmed 等測(cè)量了拉伸載荷作用下沉積在鈦箔基底上的金剛石涂層中的應(yīng)力變化；Montazeri 等探測(cè)了硫化鎘納米薄板的應(yīng)變分布。三、多孔硅薄膜的殘余應(yīng)力測(cè)試多孔硅薄膜（Porous Silicon，PS）是一種具有優(yōu)良力熱光電性能的納米半導(dǎo)體材料，近年在 MEMS 器件、光電子/微電子設(shè)備、臨床醫(yī)學(xué)/病理學(xué)傳感器等領(lǐng)域受到了特別的關(guān)注。然而，制備過程常常會(huì)在其內(nèi)部引入殘余應(yīng)力，在實(shí)際應(yīng)用中，這些殘余應(yīng)力會(huì)引起多孔硅薄膜結(jié)構(gòu)或器件的

13、翹曲、坍塌或龜裂（圖 1-6），從而影響器件的工作性能及可靠性。因此，在多孔硅薄膜結(jié)構(gòu)和器件的設(shè)計(jì)與制造中，有效地測(cè)量和控制殘余應(yīng)力顯得至關(guān)重要。圖1-6 多孔硅的龜裂現(xiàn)象：（a）（b）表面；（c）截面。Kang 和 Lei 等已經(jīng)將微拉曼光譜法用于多孔硅薄膜殘余應(yīng)力問題的研究，對(duì)多孔硅薄膜表面、裂紋區(qū)域、腐蝕過渡區(qū)以及界面附近一些局部區(qū)域的殘余應(yīng)力及其分布規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中采用了單晶硅材料的拉曼頻移應(yīng)力轉(zhuǎn)換系數(shù) 435 MPa/cm-1，給出的多孔硅殘余應(yīng)力值高達(dá) GPa 量級(jí)。隨后，Lei 和 Kang 等進(jìn)一步研究了多孔硅材料的拉曼測(cè)量數(shù)據(jù)的分析問題，基于等效各向同性材

14、料假設(shè)，給出了多孔硅材料的近似拉曼頻移應(yīng)力系數(shù)為38.19MPa/cm-1，使得相同測(cè)量應(yīng)變對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力水平下降了一個(gè)量級(jí)。這表明，對(duì)于拉曼實(shí)驗(yàn)給出的同一材料的測(cè)量頻移量，采用不同測(cè)量理論對(duì)應(yīng)的頻移應(yīng)力系數(shù)得出的應(yīng)力值相差很大。因此，盡管拉曼測(cè)量具有較高的空間分辨率，但是目前還缺少針對(duì)多孔硅材料的拉曼應(yīng)力測(cè)量理論以及相應(yīng)的頻移與應(yīng)力之間的定量關(guān)系，而這一關(guān)系是拉曼光譜應(yīng)力測(cè)量技術(shù)在多孔硅材料中應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。四、碳納米管復(fù)合材料的力學(xué)特性研究用拉曼光譜技術(shù)研究碳納米管復(fù)合材料力學(xué)特性的工作近年來受到了特別的關(guān)注。Mu 等研究了 SWNTs/PMMA 合成纖維的載荷傳遞，分析了載荷傳遞的有效區(qū)

15、域；Wang 等和 Lachman 等分別研究了碳納米管功能化對(duì)復(fù)合物載荷傳遞的影響，發(fā)現(xiàn)功能化碳納米管能更有效地傳遞載荷；Hadjiev 等比較研究了未功能化和功能化碳納米管/環(huán)氧樹脂復(fù)合物殘余應(yīng)變的大??；Ma 等研究了碳納米管網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合物的力學(xué)性能，認(rèn)為網(wǎng)狀碳納米管體系在分子水平與聚合物鏈連接，使得該材料表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)復(fù)合物的獨(dú)特力學(xué)性質(zhì)；Young等研究了 SWNT/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的變形行為和加熱效應(yīng)以及復(fù)合物中雙壁碳納米管內(nèi)部的載荷傳遞。此外，Wagner 研究組基于拉曼光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳納米管作為傳感介質(zhì)對(duì)復(fù)合材料纖維附近和缺陷周圍應(yīng)變分布的測(cè)量。最近，Qiu 和 Kang 等在

16、Wagner 研究組工作的基礎(chǔ)上，提出了一種新的碳納米管平面應(yīng)變傳感器測(cè)量技術(shù)，建立了平面內(nèi)隨機(jī)分布碳管的應(yīng)變與偏振拉曼光譜參量的定量關(guān)系，通過理論推導(dǎo)獲得了測(cè)點(diǎn)三個(gè)平面應(yīng)變分量與拉曼頻移的解析關(guān)系式，并對(duì)微孔周邊的應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量。五、碳納米管纖維/薄膜的力學(xué)性能研究碳納米管的楊氏模量高達(dá) 1Tpa，拉伸強(qiáng)度約為 11-63GPa，這種優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)加之低密度特性使得碳納米管一直被期望用于構(gòu)建高性能工程材料。目前，由碳納米管組裝成的宏觀材料如碳納米管薄膜(巴克紙)、纖維和塊體已先后被制備出來，但這些材料的力學(xué)性能與人們的預(yù)期值還有差距，例如，碳納米管纖維的模量和強(qiáng)度分別只有 15-350G

17、Pa和0.1-9GPa。因此，關(guān)于碳納米管纖維和薄膜材料力學(xué)性能的研究具有重要意義。目前已有一些碳納米管纖維和薄膜的力學(xué)相關(guān)研究工作，例如 Cheng 等針對(duì)碳納米管繩的載荷傳遞問題，對(duì)具有不同纏繞轉(zhuǎn)數(shù)的碳納米管繩進(jìn)行拉伸測(cè)試，發(fā)現(xiàn)纏繞在某種程度上可以提高碳納米管繩的管間約束力，從而提高材料強(qiáng)度；Whitten 等通過拉伸測(cè)試和蠕變實(shí)驗(yàn)研究了巴克紙?jiān)诟稍锏拇髿庵泻驮谒娊庖?、離子液體兩種濕條件下的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)力對(duì)巴克紙的力學(xué)性能存在影響，離子液體和碳納米管之間存在強(qiáng)相互作用87；Ma 等采用微拉曼光譜法研究了位移加載下單壁碳納米管纖維和薄膜微觀結(jié)構(gòu)的變形，認(rèn)為只有一小部分的宏觀應(yīng)變來自單

18、壁碳納米管束的軸向伸長，并且束間連接的強(qiáng)度對(duì)纖維和薄膜的宏觀性能產(chǎn)生主要影響。目前，在碳納米管材料力學(xué)性能研究領(lǐng)域還有許多基礎(chǔ)性問題尚未認(rèn)識(shí)，包括載荷作用下材料宏、細(xì)、微觀各級(jí)結(jié)構(gòu)的變形特征，不同尺度結(jié)構(gòu)的載荷響應(yīng)與材料強(qiáng)度、韌性等宏觀力學(xué)性能的關(guān)聯(lián)，以及材料多尺度力學(xué)行為的正確表征等等，這些問題是材料與力學(xué)領(lǐng)域所共同關(guān)注的熱點(diǎn)。另一方面，微拉曼光譜法作為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域一種新的測(cè)試技術(shù)，已經(jīng)在碳納米管復(fù)合物和單晶硅等材料的實(shí)驗(yàn)研究中取得了新的進(jìn)展，但是在一些新材料的力學(xué)測(cè)量基礎(chǔ)理論與譜線分析技術(shù)等方面還存在不少的尚未解決的問題，例如，如何建立多孔硅材料的拉曼應(yīng)力測(cè)量理論，如何將微拉曼光譜技術(shù)與其

19、它尺度的測(cè)試技術(shù)結(jié)合起來研究碳納米管材料多尺度的變形機(jī)理等，目前還尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)的報(bào)道。因此，本課題利用拉曼散射測(cè)量單層石墨烯的實(shí)驗(yàn)對(duì)于將來關(guān)于石墨烯的研究及其發(fā)展具有重大意義。1.4本文主要工作本文將針對(duì)現(xiàn)有的關(guān)于二維材料的研究現(xiàn)狀，分析研究如何對(duì)二維材料施加應(yīng)變，并最終設(shè)計(jì)出一種可以對(duì)二維材料施加應(yīng)變的工作臺(tái)。第二章 應(yīng)變工作臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求所需要施加的應(yīng)變，位移精度要 為毫米級(jí)，且移動(dòng)速度較慢，因此選擇螺旋測(cè)微計(jì)作為驅(qū)動(dòng)方式。位移行程為+6.5mm，圖2-1型號(hào)為MT13-3，采用圓孔固定，螺釘鎖緊。其固定方式如圖2-1所示。2.2導(dǎo)軌型式的選取2.2.

20、1導(dǎo)軌形式及其特點(diǎn)位移驅(qū)動(dòng)器輸出位移之后,需要用配套的導(dǎo)軌以盡可能小的誤差來傳遞位移。導(dǎo)軌主要是用來保證各運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度以及承受載荷(包括工作臺(tái)、滑板部件的重量)的。導(dǎo)軌的基本要求:導(dǎo)向精度高,精度保持性好,運(yùn)動(dòng)靈活而平穩(wěn),結(jié)構(gòu)簡單,工藝性好等等。1、滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)導(dǎo)軌是支承件和運(yùn)動(dòng)件直接接觸的導(dǎo)軌。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、接觸剛度大。缺點(diǎn)是摩擦阻力大、磨損快、壽命低;動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大,低速度時(shí),易產(chǎn)生爬行。2、滾動(dòng)導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌是在兩導(dǎo)軌面之間放入滾珠、滾柱、滾針等滾動(dòng)體,使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)處于滾動(dòng)狀態(tài)。由于滾動(dòng)摩擦阻力小,使工作臺(tái)移動(dòng)靈敏。但是,這種導(dǎo)軌是點(diǎn)或線接觸,故抗振性差

21、,接觸應(yīng)力大,所以在設(shè)計(jì)這種導(dǎo)軌時(shí),對(duì)導(dǎo)軌的直線性和滾動(dòng)體的尺寸精度要求高。導(dǎo)軌對(duì)臟物比較敏感,防護(hù)困難,其結(jié)構(gòu)比滑動(dòng)導(dǎo)軌復(fù)雜,制造困難,成本高。在階躍輸入下滾動(dòng)導(dǎo)軌與滑動(dòng)導(dǎo)軌呈相同的摩擦特性腳,其定位精度和分辨率較滑動(dòng)導(dǎo)軌工作臺(tái)有較大提高。3、氣浮導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌,即氣體靜壓軸承,是在兩導(dǎo)軌面間有氣腔,當(dāng)壓力空氣引入氣腔后,工作臺(tái)浮起,在兩導(dǎo)軌面之間形成一層極薄的氣膜,氣膜厚度基本上保持恒定不變。在規(guī)定的運(yùn)動(dòng)速度和承載范圍內(nèi),配套的導(dǎo)軌工作面互相不接觸,形成完全的空氣摩擦。圖2-2是一種氣浮導(dǎo)軌的示意圖。 圖2-2 圖2-3 氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度高,無發(fā)熱現(xiàn)象,沒有熱變形,摩擦與振動(dòng)小,無爬行現(xiàn)象,

22、使用壽命長。但是氣浮導(dǎo)軌承載能力低,剛度差,安裝困難,需要配套高質(zhì)量的氣源,其結(jié)構(gòu)一般龐大,使用費(fèi)用高。氣浮導(dǎo)軌能達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)的精度,但很少被應(yīng)用。4、平行彈性導(dǎo)軌平行彈性導(dǎo)軌的工作原理如圖2-3所示,工作臺(tái)由平行簧片支承,當(dāng)受到驅(qū)動(dòng)力F的作用時(shí),簧片發(fā)生變形,使工作臺(tái)在水平方向上產(chǎn)生微小位移占。由于彈性導(dǎo)軌僅利用受力后的彈性變形來實(shí)現(xiàn)微位移,故僅存在彈性材料內(nèi)部分子之間的內(nèi)摩擦,而且沒有間隙,因此可以達(dá)到極高的分辨率,缺點(diǎn)是行程較小。5、柔性支承導(dǎo)軌柔性支承導(dǎo)軌,實(shí)際上是以柔性鉸鏈代替杠桿機(jī)構(gòu)或四桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的普通鉸鏈而形成的一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。柔性鉸鏈屬可逆彈性支承結(jié)構(gòu),它是在基體

23、上加工出一個(gè)強(qiáng)度較弱的部分,利用該部分的微小變形及材料的彈性回復(fù)力來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形達(dá)到位移輸出。2.2.2選擇導(dǎo)軌型式 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，測(cè)微計(jì)的位移行程為+6.5mm，即為位移平臺(tái)的行程，因此得出應(yīng)變工作臺(tái)的精度等級(jí)為毫米級(jí)。由2.2.1節(jié)對(duì)導(dǎo)軌形式的總結(jié)，滑動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)行阻力大，容易產(chǎn)生爬行，而且磨損大；氣浮導(dǎo)軌和柔性支撐導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度高，但加工困難，使用費(fèi)用高；平行彈性導(dǎo)軌雖然分辨率高但是位移行程較小。因此，綜合考慮位移精度及成本等問題，最終選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌。在搜索各方資源之后，選取VR3型交叉滾子導(dǎo)軌，其型號(hào)為VR3-75-10Z。2.3復(fù)位拉伸裝置的設(shè)計(jì)該位移工作臺(tái)的功能主要是對(duì)二維材料施加應(yīng)變

24、，在某些場(chǎng)合需要拉伸應(yīng)變，但螺旋測(cè)微器只能起到推動(dòng)的作用，因此需要一個(gè)拉伸裝置使得位移平臺(tái)實(shí)現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)。彈簧在外力作用下發(fā)生變形，變形程度與外力的大小有關(guān)，通過旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微器可以通過位移平臺(tái)將力傳給彈簧，因此選擇拉伸彈簧作為復(fù)位裝置。其連接方式如圖2-4所示。其中，上下板分別為位移平臺(tái)和位移底座，由示意圖可以看出，因彈簧的拉力將使得上下板各受到一個(gè)彎矩作用，將在后面具體分析通過導(dǎo)軌抵消這類彎矩。圖2-42.4 夾緊裝置的設(shè)計(jì)夾緊裝置的作用是為了固定PDMS載物片，并且能對(duì)其施加力的作用。此時(shí)，需要考慮的是如何能夠在施加外力的情況下，保證PDMS載物片不發(fā)生滑動(dòng)。如圖2-5所示，通過兩個(gè)壓板將P

25、DMS載物片緊緊地夾在中間，施加壓力方式是通過螺釘鎖緊，后面將會(huì)提到相關(guān)的理論計(jì)算。圖2-52.5 系統(tǒng)總裝綜合前面小結(jié)的介紹，驅(qū)動(dòng)方式選擇螺旋測(cè)微器驅(qū)動(dòng)，其精度達(dá)到0.01mm，因此非常適合作為本應(yīng)變工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置。導(dǎo)軌選用交叉滾子導(dǎo)軌，該類型的導(dǎo)軌能夠承受四個(gè)方向的載荷，通過向交叉滾柱導(dǎo)軌施加預(yù)壓，能獲得無間隙且高剛性，動(dòng)作輕快的滑座機(jī)構(gòu)。PDMS（聚二甲基硅氧烷）材料可以通過加入不同比例的水而得到不同性能的固體。PDMS成本低，使用簡單，同硅片之間具有良好的粘附性，而且具有良好的化學(xué)惰性等特點(diǎn)，因此可以用來作為石墨烯的載物臺(tái)，其夾緊裝置已如圖2-5所示。因此我們得到應(yīng)變工作臺(tái)的裝配圖如

26、圖2-6，7所示。圖2-6圖2-7第三章 拉伸裝置、導(dǎo)軌以及夾緊裝置的設(shè)計(jì)3.1拉伸復(fù)位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第二章2.3小節(jié)復(fù)位拉伸裝置的設(shè)計(jì)中已經(jīng)介紹了拉伸裝置的設(shè)計(jì)思路?，F(xiàn)在將對(duì)該裝置進(jìn)行具體分析。如圖2-8所示，拉簧將分別對(duì)上下板產(chǎn)生一個(gè)拉力，這個(gè)拉力因?yàn)槎ㄎ讳N的存在將使得上下板將受到一個(gè)彎矩作用。圖2-83.1.1拉伸彈簧的選取 1、所需拉伸力的計(jì)算現(xiàn)有的PDMS載物臺(tái)的尺寸為50×20mm，在長度方向拉伸變形最大要求為5mm，最大應(yīng)變?yōu)閙ax=5÷50=0.1，假設(shè)PDMS的混合比例為5:1,其彈性模量E約為3.6Mpa，最大應(yīng)變?yōu)閙ax=E×max=0.36N/m

27、m2。PDMS載物片的厚度為1mm，橫截面的面積A=1×20mm=20 mm2。PDMS載物片受到的最大拉伸力Fmax=A×max=20×0.36N=7.2N。此值即為位移平臺(tái)所需最小回復(fù)力。2、選取拉簧選取圓鉤環(huán)壓中心彈簧，型號(hào)為L0.5×3.5。其有關(guān)尺寸及參數(shù)如表2-1所示?；山z直徑d /mm彈簧中徑D/mm初拉力Fn/N試驗(yàn)載荷F/N有效圈數(shù)n試驗(yàn)載荷下的變形量x/mm彈簧剛度k/N*mm-10.53.51.1812.33630.8520.4表2-1圖2-4是VR3系列導(dǎo)軌的相關(guān)尺寸及材質(zhì)說明（由有關(guān)廠家提供）。圖2-42.2.3關(guān)于交叉滾子導(dǎo)軌

28、交叉滾子導(dǎo)軌構(gòu)造如圖2-5所示，精密滾柱互相直交地組合在一起的滾柱保持架與設(shè)置在專用軌道上的V形溝槽滾動(dòng)面組合起來使用。通過將2列滾柱導(dǎo)軌平行地裝配，使導(dǎo)軌系統(tǒng)能夠承受4個(gè)方向的載荷。而且，因能向交叉滾柱導(dǎo)軌施加預(yù)壓，從而能獲得無間隙且高剛性，動(dòng)作輕快的滑座機(jī)構(gòu)。圖2-5交叉滾柱導(dǎo)軌具有壽命長、高剛性、運(yùn)動(dòng)精度高等特點(diǎn)。由于利用獨(dú)特的滾柱保持方法，使?jié)L柱的有效接觸長度大大提高，并且滾柱的節(jié)距間隔變短、滾柱數(shù)量多、剛性增加，壽命也提高了幾倍。因此對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)部分容易產(chǎn)生的震動(dòng)、沖擊問題，能充分進(jìn)行考慮安全的設(shè)計(jì)。在VR型滾子導(dǎo)軌中，各滾珠保持架分開，由于保持架中的滾珠帶與滾柱面接觸，有良好的潤滑

29、油保持性，所以無磨損、摩擦小，從而能獲得平滑的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。圖2-6為交叉滾柱導(dǎo)軌專用軌道的精度（分為高級(jí)（H）和精密級(jí)（P）。圖2-6交叉滾柱導(dǎo)軌被廣泛使用在辦公設(shè)備及其周邊機(jī)器、各種測(cè)定器、印刷基板鉆孔機(jī)等精密機(jī)器或光學(xué)測(cè)試儀、光學(xué)工作臺(tái)、操縱機(jī)構(gòu)、X射線裝置等的滑座部分。2.3復(fù)位拉伸裝置螺旋測(cè)微計(jì)只能夠?qū)崿F(xiàn)位移平臺(tái)的單向運(yùn)動(dòng)，因此需要利用拉伸裝置實(shí)現(xiàn)位移平臺(tái)的雙向運(yùn)動(dòng)。彈簧是標(biāo)準(zhǔn)件，選取拉伸彈簧作為拉伸裝置，采用定位銷固定兩端。2.4PDMS載物片夾緊裝置第四章 關(guān)于單層石墨烯性能研究4.1 石墨烯的制備方法目前石墨烯的制備方法主要有固相法、液相法和氣相法三大類。固相法包括機(jī)械剝離法3和外

30、延生長法18,19；液相法包括氧化還原法20，超聲分散法21，有機(jī)合成法22和溶劑熱法23；氣相法包括化學(xué)氣相沉積法24（CVD)，等離子增強(qiáng)法25，火焰法和電弧放電法。下面將介紹實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的兩種方法：微機(jī)械剝離法和化學(xué)氣相沉積法。4.1.1微機(jī)械剝離法石墨層片之間以較弱的范德華力結(jié)合，可以通過簡單施加外力從石墨上直接將石墨烯撕拉下來。機(jī)械剝離法的主要思路是用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離而獲得石墨烯，所以又稱撕膠帶法。該方法獲得的石墨烯寬度一般在幾微米到幾十微米，產(chǎn)品質(zhì)量高但產(chǎn)率極低，無法大規(guī)模生產(chǎn)，目前只用作實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模制備。圖1-4 機(jī)械剝離法制備石墨烯的簡要流程圖4.1.2化學(xué)氣相

31、沉積法化學(xué)氣相沉積法是廣泛采用的制備碳納米管的方法，優(yōu)點(diǎn)是批量化生產(chǎn)，在一定程度上能對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。目前，類似的制備工藝也成功應(yīng)用于石墨烯的制備，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的大面積連續(xù)合成?；瘜W(xué)氣相沉積法多采用有機(jī)氣體如甲烷等作為碳源在高溫反應(yīng)區(qū)中分解出碳原子并在金屬基底上沉積并逐漸生長成連續(xù)的石墨烯薄膜。金屬基底主要用的是鎳和銅，石墨烯在兩種金屬上的生長機(jī)制不同。以鎳作為基底時(shí)，碳原子首先在高溫與鎳形成固溶體，冷卻時(shí)過飽和的碳在鎳表面析出，形成石墨烯；以銅作為基底時(shí)，由于碳和銅不互溶，銅主要起到催化劑的作用24，碳原子在銅表面吸附并結(jié)晶生成石墨烯。相比于機(jī)械剝離法制得的石墨烯，CVD法制備的樣品

32、面積較大且連續(xù)，產(chǎn)量也很高但缺點(diǎn)在于本身具有較大的缺陷。圖1-5 CVD法制備石墨烯的簡要流程圖4.2 氣相沉積方法制備石墨烯眾所周知，機(jī)械剝離法制備的石墨烯質(zhì)量是要好于化學(xué)氣相沉積法的，CVD法制得的石墨烯或多或少存在一些缺陷。但考慮到PDMS是一種偏透明的白色基底，石墨烯在上面的對(duì)比度很差，即使存在單層或少層區(qū)域，也很難在光學(xué)顯微鏡下找到這些區(qū)域，使得實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行，只能采用CVD石墨烯來降低實(shí)驗(yàn)難度。我們也曾試過先將石墨烯轉(zhuǎn)移到二氧化硅基底上，找到單層區(qū)域后轉(zhuǎn)移至PDMS，但實(shí)際操作的時(shí)候發(fā)現(xiàn)這樣處理之后的石墨烯表面殘留很多PMMA（關(guān)于PMMA，下文會(huì)介紹），整體看上去很“臟”，大大影響

33、了拉曼檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)效果很差。最后，綜合考慮之后，我們決定使用CVD石墨烯。CVD石墨烯各處缺陷密度不大相同，穩(wěn)定性也較差，我們劃定一小范圍，每次實(shí)驗(yàn)都在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行，基本控制了實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性。我們使用的儀器是STF-1200X開啟式真空雙溫區(qū)管式爐，如下圖所示，以高純度氫氣和甲烷為原料在銅片上進(jìn)行生長。具體步驟如下：（1）制作PDMS基底。將二甲基硅氧烷的主劑和硬化劑以質(zhì)量比10：1比例均勻混合后，放入冰箱中一夜使混合液中的氣泡浮至表面并破裂。另取一片表面平整基底，硅或二氧化硅均可，涂上PMMA（PMMA與PDMS不互溶，防止PDMS粘附在基底上），用勻膠機(jī)涂抹均勻，再滴上PDMS溶液，在加熱平

34、臺(tái)上以150加熱10分鐘左右，最后將PDMS從基底上剝離，便得到PDMS柔性基底。（2）清洗銅片。先在稀鹽酸中浸泡5分鐘來清除表面的氧化物，再將它放入丙酮中超聲清洗5分鐘，去除有機(jī)物和雜質(zhì)，最后用乙醇洗掉丙酮并吹干。（3）生長。先將銅片放入反應(yīng)爐的石英管中，抽真空至1Pa以下。設(shè)置程序進(jìn)行加熱，加熱的過程中，持續(xù)通入氫氣。加熱至1045，保溫3小時(shí)后開始通甲烷，甲烷與氫氣比為90：60，壓強(qiáng)為300Pa，通甲烷10分鐘后關(guān)閉甲烷，降溫至室溫后取出銅片，最后關(guān)閉氫氣及管式爐。（4）轉(zhuǎn)移。我們將生長完的銅片取出，涂上PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）保護(hù)膜，PMMA可以保護(hù)石墨烯防止其破碎，用勻膠機(jī)將銅

35、片上的PMMA旋涂均勻。等PMMA凝固后，將銅片放入0.5mol/L的氯化鐵溶液中腐蝕約20分鐘，取出之后，放入清水中清洗洗去背面生長的石墨烯，然后再放入氯化鐵溶液中繼續(xù)腐蝕，如此重復(fù)如干次，直到銅被全部腐蝕，形成一張無色透明薄膜。然后將薄膜轉(zhuǎn)移至PDMS基底上。（5）去除PMMA。將苯甲醚滴在PMMA基底附有石墨烯的一側(cè)，放置一段時(shí)間。若要求表面較為干凈，最好放置一夜。然后將放置后的基底浸泡在苯甲醚溶液中，大約持續(xù)10分鐘。最后用乙醇將苯甲醚洗掉，得到最終制備的CVD石墨烯樣品。圖3-2 STF-1200X開啟式真空雙溫區(qū)管式爐我們用肉眼可以看到基地上的石墨烯薄膜及其邊界，為了便于觀測(cè)，在光

36、學(xué)顯微鏡下觀測(cè)。圖 2.3 a) CVD 石墨烯 10 倍光學(xué)圖 b) 100 倍光學(xué)圖4.3 石墨烯的拉曼峰研究Raman光譜的形狀、峰寬、和峰位與所測(cè)樣品的層數(shù)有關(guān)，是研究石墨烯性能最直接，最有效，無損傷的方法24-26。2008年，Zhenhua Ni等人27對(duì)之前人們?cè)谑├芯糠矫娴某晒M(jìn)行了綜述，討論了如何通過Raman光譜辨別單層石墨，研究了石墨烯在SiO2/Si襯底上的干涉增強(qiáng)以及對(duì)不同襯底上得到的石墨烯的Raman光譜進(jìn)行了比較，同時(shí)也對(duì)折疊的雙層石墨和單層石墨以及雙層石墨的Raman光譜進(jìn)行了比較分析。圖2-1所示為少層石墨的Raman光譜比較28。從圖中可以看出少層石

37、墨在1580cm-1（G峰）和2700cm-1（2D峰）位置處有比較明顯的拉曼峰，與其他少層石墨相比，單層石墨烯在1580 cm-1處得吸收峰強(qiáng)度較低，而在2700 cm-1處得吸收峰強(qiáng)度最大，并且不同層數(shù)的石墨烯在2700cm-1處的吸收峰位置略有移動(dòng)，呈現(xiàn)出明顯的多組分峰 。此外，在石墨烯的Raman光譜1350cm-1處還存在一個(gè)由缺陷誘導(dǎo)的D峰，因剝離下來的少層石墨保持單晶石墨的完美性，其Raman光譜基本沒有D峰。圖2-1少層石墨的Raman光譜比較28經(jīng)過總結(jié)，我們得出單層石墨的Raman判斷條件：2D峰的形狀是否尖銳、對(duì)稱以及其強(qiáng)度是否大于G峰的強(qiáng)度。另外，對(duì)于少層石墨，G峰和2

38、D峰的峰位隨層數(shù)有一個(gè)相對(duì)變化規(guī)律。普遍認(rèn)為，在特定基底上，隨著層數(shù)的增加，少層石墨的G峰沒有變化，而2D峰發(fā)生藍(lán)移29。一般認(rèn)為G峰和2D峰的位置不能作為判斷單層石墨的必要條件，因不同基底，不同樣品，相同樣品的不同位置Raman光譜的G峰和2D峰的位置都不同，依賴于電荷濃度30。上述判斷是對(duì)前人研究經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，具體判斷還因?qū)嶋H的制備過程和所用基底而定。方法不同，基底不同，得到的單層石墨稀的Raman光譜也有所不同。Z. H. Ni等人31和A. Gupta等人32分別用微機(jī)械分裂法在285nm SiO2/Si基底和普通Si基底上制備出了不同層數(shù)的石墨烯樣品，前者給出了只有n=1層時(shí)，2D峰比

39、G峰更強(qiáng)，然而后者卻得出了n<5時(shí)，2D峰比G峰更強(qiáng)的結(jié)論。Raman光譜可用來研究石墨層的堆疊方式，用2D峰的變化研究層面內(nèi)晶粒大小33-35以及層間堆疊方式36-39，相關(guān)結(jié)論有助于我們理解少層石墨烯的缺陷及無序性。利用微機(jī)械剝離法制備的少層石墨，其石墨層的堆疊方式與單晶石墨相同，均為AB型堆疊（Bernal stacking）。而其他方法制備的石墨烯并不是這種堆疊方式，例如，亂層石墨的石墨層是沿光軸c軸隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的，因?qū)娱g作用力的消失，其Raman光譜與單層石墨烯極其相似。最近，折疊石墨烯40的Raman光譜已被研究。如圖2-2所示為三種少層石墨Raman光譜的2D峰對(duì)比。AB堆疊的

40、兩層石墨烯（2-LG）有明顯的分峰，分別對(duì)應(yīng)電子-聲子的散射過程，而折疊的2-LG完全失去了這個(gè)特征，其2D峰的形狀與單層石墨烯（1-LG）的相同40,41，理論上的計(jì)算表明，其電子性質(zhì)與無質(zhì)量的Dirac費(fèi)米子相似42,43。折疊2-LG的2D峰相比1-LG藍(lán)移了9cm-1，并且寬度有所增加，兩個(gè)研究小組分別稱這是由于費(fèi)米面的下降40以及聲子散射曲線的變化41。4.4 應(yīng)力對(duì)于石墨烯拉曼峰的影響石墨烯是一種能隙為零的半金屬材料，費(fèi)米能級(jí)處的能態(tài)密度為零，僅通過電子的熱激發(fā)進(jìn)行導(dǎo)電，其載流子濃度很低，極大限制了它在電子器件方面的運(yùn)用。這時(shí)候，我們必須要打開帶隙。一般石墨烯納米條帶的能隙與條帶寬

41、度成反比，我們可以控制其寬度來改變能隙。對(duì)于大尺寸的石墨烯，我們可以通過破壞其晶格對(duì)稱性來打開能隙。為實(shí)現(xiàn)這一目的，有很多方法：引入應(yīng)力43、缺陷44，化學(xué)改性45，外加電場(chǎng)46，與氣體結(jié)合47。上文我們已經(jīng)介紹過了缺陷在打開帶隙這方面的作用，現(xiàn)在我們轉(zhuǎn)向應(yīng)力的作用。應(yīng)力是一種非常高效率且可控的打開能隙的方法48。根據(jù)理論計(jì)算，1%的應(yīng)力可以打開大約300meV的能隙，如圖3-1所示。圖3-1（a）石墨烯外加應(yīng)力示意圖，紅色實(shí)心的為加應(yīng)力的情形（b）未加應(yīng)力時(shí)石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖（c）外加1%應(yīng)力時(shí)石墨烯能帶結(jié)構(gòu)圖既然可以用應(yīng)力可控地打開能隙，那研究應(yīng)力的表征就具有相當(dāng)重大的意義。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載48，隨著應(yīng)力的增加，石墨烯拉曼G峰會(huì)出現(xiàn)紅移，紅移距離與外加應(yīng)力成正比，這使得拉曼光譜成為一種無損而有效地表征應(yīng)力的手段。實(shí)驗(yàn)之前我們?cè)O(shè)計(jì)了如下方案：我們先將一塊完整的石墨烯樣品（已轉(zhuǎn)移到PDMS上）剪成兩塊，將其中一塊暫時(shí)保存起來，用另一塊進(jìn)行應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，測(cè)得拉曼圖像隨基底拉伸的變化情況。根據(jù)拉曼圖，我們可以知道石墨烯是否被加上應(yīng)力以及應(yīng)力相對(duì)大小，這時(shí)我們?nèi)〕隽硪话胧?，將兩?/p>