《实验力学》
0 引言 微纳米的尺度结构在微纳机电、微纳光电子等领域广泛应用，所以深入研究微纳米尺度结构的力学性能及应用情况是近期一项重大课题。 目前针对检测对象尺寸减小的问题，微纳米固体实验力学主要有两种检测技术，一种是基于原有材料力学的检测技术，另一种是基于图像处理和光学的检测技术。前者主要采用拉伸、弯曲、纳米压痕等方法，后者主要运用光学、图像处理等方式的检测技术如近期发展迅速的微纳米尺度进行检测。 本文主要研究微纳米固体实验力学中的光学检测技术和探针技术及其在微纳米尺度结构方面的应用。 1 微纳米光学检测技术 光学和图像处理技术在微纳米尺度检测方面具有重要作用，其中像微纳米光学干涉检测、微纳米散斑技术、微纳米数字相关技术、微纳米云纹技术等都得到了广泛应用。 1.1 微纳米光学干涉检测技术 MEMS元件结构、薄膜等，其表面的光洁度有严格的控制，在制造完成后需要进行检测。而微纳米光学干涉检测技术正是运用于这方面，所以引起了社会关注，同时也被广泛应用于MEMS元件结构、薄膜等材料的检测。 1.2 微纳米散斑技术 在显微镜面的光学干涉技术中，物波与参考波发生干涉，产生条纹场，同时这也与很多因素有关，比如检测对象的微结构与表面形状、检测对象的安装、真正变形量等。这些因素的影响使得条纹分析难以进行，不适用于光学干涉技术检测。于是在这种情况下，微纳米散斑技术被广泛应用。微纳米散斑技术的尺度结构范围在毫米到数十微米，对于这样结构尺度的材料具有重要作用。但是随着尺度结构的进一步降低，就需要改变干涉系统的参数。成像系统F数与波长λ不变，但是尺度结构减小，放大倍数就要增加，颗粒尺度由1.2λF决定。如果颗粒尺度减小到微纳米级，就会影响条纹场的均匀性和衬度。因此，在高精度、微纳尺度检测时，有效减少散斑颗粒尺度、生成均匀且对比度好的微纳米散斑场成为了重要的议题。显微ESPI系统测量铜微桥弯曲变形时获得的全场等位移条纹，每两个亮条纹之间的离面位移为0.32 μm。 1.3 微纳米数字相关技术 微纳米散斑技术是由宏观数字散斑技术与数字图像相关技术发展而来，实现了微纳米结构的测量。尽管微纳米数字技术的测量精度很高，但还是会受很多因素影响，比如空间畸变、扫描图像漂移等因素。Knauss等对这些影响因素进行了系统分析，Sutton等人也做了一系列相关研究工作，他们提出了修正扫描图像漂移的方法以及修复空间畸变的方法。我国对于微纳米数字技术也进行了相关研究，李喜德、方竟、潘兵等人都在此领域有着突出贡献。 目前，微纳米数字测量的主要方法就是将显微图像与数字散斑技术相结合，因此高效的修正扫描图像漂移的方法以及修复空间畸变的方法是近期的一项重大课题，而可靠方便的微纳米数字技术与微纳米散斑技术是进行测量的重要保障。 1.4 微纳米云纹技术 微纳米云纹技术也是一项极其重要的技术，它与散斑技术、全息技术并称为三大光学检测技术最早在测量领域应用云纹技术，之后这一技术被广泛应用，而且进一步发展运用到多个领域。云纹技术不只适用于测量，还适用于检测，尤其是计算机数字图像技术与激光技术的发展，更丰富了云纹技术的内容。 2 基于探针技术的微纳米固体实验力学检测技术 光学显微技术虽然可以检测尺度结构极小的材料，但如果尺度结构进一步减小，就会出现误差，导致测量结果不准，因此需要更高分辨率的显微系统，在此基础上，科学家们研究出了基于探针技术的微纳米固体实验力学检测技术。其中探针平台具有很多优点，比如制造简单、尺度小、结构简单、易于操纵等，因而该技术被广泛应用。下面介绍几种典型的基于探针技术的微纳米固体实验力学检测技术及其应用。 2.1 基于光学显微技术的探针测量技术 虽说光学显微技术分辨率低，但它具有实时成像、开放操作空间等特点，故而仍被广泛应用。科学家们将其与探针技术结合到一起，测量尺度结构极小的材料，汲取探针技术对微物体的操作能力以及光学显微技术的成像与监视能力，将二者结合可以应用到更多领域。目前，这种基于光学显微技术的探针测量技术不仅可以测量系统最合适的环境，还可以研究生物体相互作用。 2.2 基于原子力显微镜技术的探针测量技术 原子力显微镜，又称为AFM，是一种微观系统，广泛应用在材料、物理、生物等多个领域。尤其是其中的悬臂探针，探测灵敏，操作方便，适用于微纳米力学测量。相关研究资料表明，利用AFM接触扫描模式，对悬臂纳米线横向弯曲轮廓和对应的横向力图像进行测量，能够确定ZnO纳米线阵列中单根纳米线的弹性模量为（29±8）GPa。实验中所用ZnO纳米线生长于蓝宝石的表面，直径为45 nm。然后又利用AFM接触模式，对粘附于带微槽硅基底上的ZnO纳米线进行扫描，拟合纳米线的AFM轮廓图像，并测量ZnO纳米带的弹性变形行为。因此，商用AFM就依据其灵敏度高、操作便捷等特点完成微纳米力学检测，包括拉伸、弯曲、压缩等基本力学检测。所以说，这是基于原子力显微镜技术的探针测量技术，难点在于对探针的操控、微纳米尺度结构试件的夹持及准确测量位移和变形的方法等方面，这也是探针测量技术近期重点研究的课题之一。 2.3 基于扫描电子显微镜技术的探针测量技术 AFM平台虽然具有灵敏度高、操作便捷等特点，可以测量尺度结构小的检测对象，但它也存在着一些局限性，比如：在进行力学检测时，由于对物件的夹持，AFM会失去成像功能，这严重影响了探针测量技术。因此，在力学检测时，我们将SEM应用到探针检测技术中，去观察检测对象的微纳米结构。所以将SEM与探针测量技术相结合，一方面保留了探针灵敏度高、操作便捷等特点，另一方面SEM技术也提供了良好的可视测量环境。将探针与SEM相结合，使得基于扫描电子显微镜技术的探针测量技术在许多方面都有着很大的优势，综合能力较高，同时也让这一技术成为了力学检测时运用的主要技术，从而被广泛运用到各项力学检测实验中。 3 结语 综上所述，基于光学显微技术，绝大部分光学检测技术可以应用在微纳米尺度检测中，如微纳米光学干涉检测、微纳米散斑技术、微纳米数字相关技术、微纳米云纹技术等；而基于AFM、SEM技术，微纳米固体实验力学检测技术如基于光学显微技术的探针测量技术、基于原子力显微镜技术的探针测量技术、基于扫描电子显微镜技术的探针测量技术等，也可以检测尺度结构在毫米到微米范围内的试样。