本发明涉及一种应变测量装置，其被配置用于测量样品中的机械应变，特别是激光透明样品中的机械应变。此外，本发明涉及一种用于测量样品中的机械应变的应变测量方法。应变测量基于共焦拉曼光谱法和压痕的结合。本发明的应用例如可用于材料科学和材料研究领域。
背景技术：
1、在本说明书中，引用了如下说明本发明的技术背景及相关技术的现有技术：
2、[1]a.m.korsunsky.chapter 8-residual stress“measurement”，载于ateaching essay on residual stresses and eigenstrains(eds korsunsky am).butterworth-heinemann(2017)；
3、[2]w.ecker等人“nanoscale evolution of stress concentrations and crackmorphology in multilayered crn coating during indentation:experiment andsimulation”，载于“materials&design”188,108478(2020)；
4、[3]a.j.g.lunt等人“a review of micro-scale focused ion beam millingand digital image correlation analysis for residual stress evaluation anderror estimation”，载于“surface and coatings technology”283,373-388,2015；
5、[4]c.gammer等人“measurement of local strain”，载于“mrs bulletin”44(6),459-464,2019；
6、[5]j.gim等人“nanoscaledeformation mechanics reveal resilience innacre of pinna nobilis shell”，载于“nat commun”10,4822(2019)；
7、[6]a.zeilinger等人“in-situ observation of cross-sectionalmicrostructural changes and stress distributions in fracturing tin thin filmduring nanoindentation”，载于“scientific reports”6,22670(2016)；
8、[7]p.manimunda等人，载于“chem.commun”2019,55,9200—9203；
9、[8]h.c.loh等人，载于“commun mater”1,77(2020)；
10、[9]y.b.gerbig等人“in-situ raman spectroscopic measurements of thedeformation region in indented glasses”，载于“journal of non-crystallinesolids”vol.530,2019,119828；
11、[10]wo 96/10737 a1；
12、[11]ru 2 680853 c1；
13、[12]wo 97/03346 a1；
14、[13]jp 2017 146294 a；和
15、[14]kr 101 783 541 b1。
16、局部应力通常限定了固体材料的性能或失效。因此，研究局部应力的演变是了解材料机械响应的重要因素。局部应力由施加的应力、残余应力及其相互作用决定。虽然能够测量和控制施加的应力，但残余应力本质上很难检测、控制或抑制。在过去的几十年里，已经开发出几种技术来评估内部应变或应力。
17、微尺度聚焦离子束铣削和数字图像相关分析是一种破坏性技术，其提供对样品表面的残余应变的直接测量。然而，它仅限于评估残余应变，不适用于其中存在外部接触负载的所引发的接触应变。此外，机械铣削最终会破坏感兴趣的区域。此外，数字图像相关不能提供体积信息，并且仅限于表面区域。
18、作为非破坏性技术，透射电子衍射和显微术技术允许以低至几纳米的高空间分辨率测定局部晶格应变(参见例如[4]、[5])。然而，透射电子显微镜(tem)需要相当薄的样本，这是缺点，因为样品具有给定的厚度，并且必须根据产生单个应变值的体积来评估分辨率。在样品制备过程中可能会引起应变松弛效应，并且在原位机械负载期间可能会产生自由边缘效应。此外，tem方法中的视场仅限于几微米，并且该技术不支持3d表征。
19、微焦点x射线衍射是另一种已知的具有微米级探测分辨率的实时应变/应力测量技术[1]。然而，该技术需要复杂的测量技术，如先进的同步加速器光束线，而且与电子衍射技术类似，x射线衍射在尺寸受限的样品制备方面也有其自身的缺点，其中样品的自由表面能够在样品上引起或释放残余应力/应变[1]、[2]。同样，施加的机械负载可能会导致样品的自由边缘处的过度形变。因此，从照明体积收集的数据包含来自样品边缘处的形变的信息，这导致不可避免的测量误差。最后，x射线衍射测量的透射构思会产生来自照明体积的信息，而不是点特定数据。因此，该技术不能沿照明轴线和产生单个应变值的体积进行深度剖析。
20、拉曼光谱法能够探测拉曼活性材料的分子能量特性。除了能够表征结构材料外，该技术还已经用于测量机械应变/应力。这种应变会影响分子振动的频率，从而通过峰位置和宽度的变化影响拉曼光谱。因此，通过测量应变样品的振动带的位置和/或宽度并将其与未应变状态(参考状态)进行比较，可以获得有关机械应变/应力的幅度的信息。与衍射技术相比，共焦拉曼光谱法允许在材料的穿透深度内进行深度剖析。该穿透深度是激光波长和样品吸收系数的函数，对于激光透明材料，该穿透深度能够在毫米范围内。因此，样品厚度允许应变/应力场在没有自由/切割边缘的情况下发展和传播。
21、已知的研究加载/压痕样品的方案包括压痕后拉曼光谱法和施加负载下的离轴拉曼光谱法。对于压痕后拉曼光谱法，首先，对样品进行压痕，压痕后扫描残留压痕。举例来说，[7]中提出了一种集成压痕设备，其中，平移台将样品从压痕站移动到单独的测量站(光学位置)，该测量站经由光纤电缆连接到拉曼光谱仪。但是，这种方法无法进行实时测量。它不允许研究弹性响应(所引起的弹性应变)，因为它们会在样品卸载后立即恢复。
22、另一方面，施加负载下的离轴拉曼光谱法(参见例如[9]至[14])在加载样品时采用拉曼光谱法。然而，入射激光与施加负载的离轴重合不允许在加载点下方进行同轴扫描(即无法测量样品体积)，这意味着应变张量的计算更加复杂。此外，使用包括样品的离轴表征在内的可用的原位拉曼压痕设备，所引起的应变场的部分将无法在拉曼显微术下访问，因为它位于压头的阴影中。另外，由于振动带的强度随探测方向而变化，因此设备的倾斜角会使数据分析更加复杂。离轴拉曼光谱法已经在拉伸/压缩样品(而不是压痕样品)上进行了[8]。然而，由于分布式加载会导致分布式应变，该技术无法研究加载区域处的应变发展(因为诸如生物陶瓷等的建筑材料与样品的微观结构组织没有关联，而微观结构组织在集中应力/应变的发展中起着关键作用)。
23、总之，对施加的负载下的局部应力进行常规评估一直颇具挑战性，因为需要结合以下两个关键方面。首先，能够“时间分辨”地测量在施加的负载下发展的应变/应力场以及与可能的残余应变/应力的相互作用。因此，破坏性技术无法满足该要求。因此，只有非破坏性应变/应力测量技术(例如基于衍射测量)仍然是实用的选择。其次，能够以亚微米分辨率探测“局部”应变/应变。因此，同步加速器x射线微衍射、透射电子衍射和显微术以及共焦拉曼显微术[1]、[2]仍然是接触负载下的局部应变/应力时间分辨测量的唯一可行技术。然而，由于物理限制，到目前为止，这些技术在其已知配置下都无法对所引起的接触应变/应力场进行三维映射。
24、发明目的
25、本发明的目的是提供一种改进的用于测量样品中的机械应变的应变测量装置和/或应变测量方法，其能够避免常规技术的限制和缺点。具体而言，应变测量装置和/或方法能够进行实时三维映射并且避免因时间和/或方向偏移而导致的限制。
技术实现思路
1、该目的通过包括独立权利要求的特征的应变测量装置和/或应变测量方法来实现。本发明的有利实施例和应用在从属权利要求中定义。
2、根据本发明的第一总体方面，上述目的通过应变测量装置实现，该应变测量装置被配置为测量样品中的机械应变，该应变测量装置包括：样品保持器设备，其被布置用于容纳待研究的样品；压头设备，其包括压头尖端和承载压头尖端的致动器台，其中，致动器台被布置用于当样品保持器设备处于负载施加位置时，经由压头尖端在由样品保持器设备容纳的样品的压痕区处沿负载轴线施加局部机械负载；共焦拉曼显微术设备(优选为共焦拉曼显微镜)，其具有成像轴线并且被布置用于收集样品的压痕区中的至少一个拉曼光谱；以及计算设备，其被布置用于基于至少一个拉曼光谱计算至少一个应变参数。
3、根据本发明的装置，样品保持器设备、压头设备和共焦拉曼显微术设备被布置成使得当样品保持器设备处于负载施加位置时，共焦拉曼显微术设备能够收集至少一个拉曼光谱。此外，根据本发明，压头设备和共焦拉曼显微术设备被布置成使得致动器台的负载轴线(压痕方向)和共焦拉曼显微术设备的成像轴线重合。
4、根据本发明的第二总体方面，上述目的通过用于测量样品中的机械应变的应变测量方法来实现，该方法包括以下步骤：将待研究的样品布置在样品保持器设备上；使用压头设备对样品施加局部机械负载，该压头设备包括压头尖端和承载压头尖端的致动器台，其中，当样品保持器设备处于负载施加位置时，利用致动器台经由压头尖端在样品的压痕区处沿负载轴线施加机械负载；使用具有成像轴线的共焦拉曼显微术设备在样品的压痕区中收集至少一个拉曼光谱；以及基于至少一个拉曼光谱计算至少一个应变参数。
5、根据本发明的方法，在样品保持器设备处于负载施加位置时，收集至少一个拉曼光谱。此外，根据本发明，压头设备和共焦拉曼显微术设备被布置成使得致动器台的负载轴线和共焦拉曼显微术设备的成像轴线重合。
6、优选地，根据本发明的第二总体方面或其实施例的应变测量方法利用根据本发明的第一总体方面或其实施例的应变测量装置来执行。
7、术语“应变测量”是指确定应变，其是材料在力(特别是外力)作用下的形变的量度。形变导致材料中分子振动频率的变化。在弹性形变中，所引起的应变和应力是相关的。因此，本发明的应变测量装置和方法也能够被认为是用于测量样品中机械应力的应力测量装置和方法，其中，至少一个应力参数是通过与所收集的拉曼光谱的峰宽和/或位置的变化的相关性来获得的。
8、将样品保持器设备设置在负载施加位置包括将样品保持器设备和压头设备布置成使得压头尖端能够通过压头尖端的位移接触并压靠样品保持器设备上的样品。优选地，样品保持器设备和压头设备相对于彼此具有固定位置，使得样品保持器设备在整个应变测量期间处于负载施加位置。样品保持器设备优选地包括支撑平台，该支撑平台具有放置样品的表面。支撑平台具有足够的机械稳定性，以抵抗由压头尖端在样品上施加局部机械负载引起的任何力。支撑平台优选地被配置用于通过平台中的孔(窗口)以直接暴露独立(厚)透明样品或通过使用透明背板来支撑薄样品(<1mm)，使探测光通过以收集至少一个拉曼光谱。特别优选地，样品保持器、特别是样品保持器的支撑平台具有同心窗口，所述同心窗口倒置安装在共焦拉曼显微术设备的下方。
9、压头设备的致动器台优选地相对于样品保持器设备固定布置，并且被配置用于沿线性移动轴线(优选地垂直于支撑平台的表面)相对于样品保持器设备(特别是相对于由样品保持器设备容纳的样品)移动压头尖端。特别优选地，致动器台包括压电致动器和换能器，这在施加的负载的数量和时间控制方面具有优势。有利地，致动器台可以被配置用于压头尖端位移，分辨率步长低至5nm。压头尖端由不可形变材料(例如硬质陶瓷，例如钻石)制成。
10、通过将压头尖端朝向样品保持器设备(特别是其支撑平台)移动，使压头尖端与样品接触并压靠样品，使得机械负载施加到样品。通过以相反方向移动，负载能够减小直至为零(释放样品)。由于压头尖端的尖端形状，负载的直接施加被定位到压头尖端与样品的点状接触部段。该接触部段提供压痕区，负载轴线(对样品施加力的轴线)是压头尖端的移动轴线。
11、共焦拉曼显微术设备通常包括：光源设备(例如激光源)，用于产生激发光；成像光学器件，用于将激发光引导至样品，将激发光聚焦在可选的样品深度，并收集来自样品的拉曼散射光；以及光谱解析检测器设备(例如光谱仪)，用于检测拉曼散射光。成像光学器件可以被配置用于在自由空间和/或光导中中继激发光。
12、成像轴线(探测方向)由成像光学器件照射样品的方向提供。成像轴线与负载轴线重合，即两个轴线优选地是相同的，或者它们在负载施加位置处平行且相隔一定距离，使得该距离对要获得的测量结果的影响可忽略。能够通过调节成像光学器件和致动器台中的至少一个来提供重合轴线。优选地，成像轴线垂直于支撑平台的表面，特别是垂直于布置在支撑平台上的样品的表面。
13、用于计算至少一个应变参数的计算设备包括计算机电路，该计算机电路可选地包含在应变测量装置的控制设备中。
14、本发明的样品保持器设备、压头设备和共焦拉曼显微术设备的布置包括设置样品保持器设备和/或压头设备使得样品保持器设备处于负载施加位置，即前进的压头尖端能够撞击样品。同时，本发明的样品保持器设备、压头设备和共焦拉曼显微术设备的布置包括设置样品保持器设备和/或共焦拉曼显微术设备使得成像光学器件能够将激发光引导至支撑平台上的样品，特别是引导至样品的压痕区，并收集来自样品的拉曼散射光，特别是来自样品的压痕区的拉曼散射光。有利地，当样品保持器设备处于负载施加位置时，特别是当抵靠在样品保持器设备上的样品能够接收局部机械负载(例如静态负载或动态变化负载)时，可以收集至少一个拉曼光谱。
15、与常规技术(例如[7])相比，本发明的技术将压痕方向(负载轴线)与拉曼显微镜(同轴成像轴线)对齐，并将负载点和接触区共同定位，使得能够确定弹性-非弹性形变下所引起的接触应变/应力的量(单个值)和可选的1d分布、2d分布或3d分布。通过拉曼光谱法，以改进的精度测量了样品的压痕区中分子振动带中的变化。具体而言，本发明允许在拉曼活性材料和优选激光透明和/或足够薄的材料中以亚微米空间分辨率实时加载和测量所引起的接触应变/应力场。有利的是，使用本发明的具有重合的负载轴线和成像轴线的压头设备和共焦拉曼显微术设备的布置，排除了离轴技术(例如[8])的限制。此外，利用本发明的共焦拉曼显微术设备的布置，可以在不移动样品的情况下在施加负载期间和/或之后收集至少一个拉曼光谱，使得在压痕区中精确地执行应变测量。特别是，能够在负载减少期间测量样品的恢复率。
16、根据本发明的优选实施例，样品保持器设备、压头设备和共焦拉曼显微术设备被布置成使得共焦拉曼显微术设备能够在施加局部机械负载的同时收集至少一个拉曼光谱。就该方法而言，优选在施加局部机械负载的步骤的同时(即在施加负载期间)收集至少一个拉曼光谱。有利地，在施加负载之后在不受松弛过程的影响的情况下估计至少一个应变参数。替代地或附加地，可以在施加局部机械负载之前和/或之后收集至少一个拉曼光谱。
17、根据本发明的特别优选的实施例，压头设备(特别是至少压头设备的压头尖端)和共焦拉曼显微术设备(特别是共焦拉曼显微术设备的成像光学器件的至少一部分)被布置在样品保持器设备的相对侧上，特别是在样品保持器设备的支撑平台的相对侧上，使得局部机械负载能够施加在样品的第一侧上的负载点处，并且能够在压痕区中(特别是在负载点处从样品的相对的第二侧)收集至少一个拉曼光谱。就该方法而言，优选地将局部机械负载施加在样品的第一侧上的负载点处，并且在压痕区中(特别是在负载点处从样品的相对的第二侧)收集至少一个拉曼光谱。有利地，为具有相对布置的压头和共焦拉曼显微术设备(或其组件)获取足够的空间。
18、施加负载并从相对侧收集拉曼散射光优选地包括提供负载轴线和成像轴线的垂直取向，从上方沿重力方向施加负载并从支撑平台的下方收集至少一个拉曼光谱。替代地，可以提供从下方平行于重力方向施加负载并从支撑平台的上方收集至少一个拉曼光谱。
19、根据本发明的另外的优选实施例，样品保持器设备设置有平移台，该平移台被布置用于调节样品保持器设备在垂直于共焦拉曼显微术设备的成像轴线的平面中的x-y位置。就该方法而言，优选地调节样品保持器设备在垂直于成像轴线的平面中的x-y位置。有利地，平移台便于样品相对于负载轴线和成像轴线的调节，从而允许通过操作平移台进行二维(在平行于支撑平台的表面的平面中)或三维扫描测量。
20、本发明的另一个具体优点是：如果共焦拉曼显微术设备被配置用于时间分辨地收集多个拉曼光谱，从而允许研究例如样品的松弛特性。替代地或附加地，能够提供在包括压痕区的范围内对样品进行映射。有利地，该映射特征提供了在应变较小甚至没有应变的区域中样品的附加参考信息。为了映射样品，能够提供光学扫描仪设备，该光学扫描仪设备被布置用于将激发光连续聚焦到压痕区内和/或压痕区外的不同位置。
21、根据本发明的另外的有利实施例，压头设备包括负载传感器，该负载传感器连接到致动器台并且被布置用于测量施加到样品的机械负载。就该方法而言，可以使用连接到致动器台的负载传感器来测量施加到样品的机械负载。有利地，负载传感器允许确定至少一个收集的拉曼光谱和/或至少一个应变参数与施加到样品的负载量的相关性。此外，负载传感器能够用于负载控制，和/或能够根据预定的时间函数施加负载，从而允许根据给定的测试协议计算至少一个应变参数。
22、有利地，压头尖端的各种特征可用于改进应变测量。优选地，压头尖端具有为了接触样品而暴露的远端接触部段，并且具有小于1μm的尺寸。替代地，更大的尺寸也是可行的，例如1μm到1mm或者到3mm或者甚至到5mm。由于接触部段的尺寸小，能够以有利的方式改进高外部压力的施加和位置分辨测量。替代地或附加地，压头尖端可以是可更换的。因此，能够方便地将测量设置适配到特定样品。替代地或附加地，压头尖端可以是钻石尖端。钻石具有高硬度，使得它允许测量几乎所有感兴趣的样品材料。另外的压头尖端材料可以包括例如氧化锆、蓝宝石、红宝石或碳化钨。替代地或附加地，压头尖端可以是圆锥球形尖端。圆锥球形有利于均匀的负载施加和在样品中应变的发展。替代地，压头尖端可以具有包括立方角或玻氏几何形状的尖端几何形状，以进一步定位应力集中或以非弹性的方式使样品部分形变。其他尖端几何形状可以包括例如维氏几何形状或平冲几何形状。
23、尖端能够被更换以安装不同的尖端几何形状和/或材料之一。尖端尺寸和接触半径也可以变化。实际上，尖端的选择取决于测量条件，例如样品尺寸、样品硬度或样品结构。例如，圆锥球形尖端的半径可以从300nm到几毫米，而立方角尖端的尖端尺寸可以为大约70nm至100nm，而玻氏尖端的尖端尺寸可以为大约120nm。
24、在应变测量装置及其实施例中公开的特征也代表了本发明应变测量方法及其实施例的优选特征。上述方面以及本发明的优选特征，特别是关于装置的配置以及与装置相关的各个部件的尺寸和组成也适用于该方法。本发明的上述优选实施例、变型和特征根据需要相互组合。
1.一种应变测量装置(100)，其被配置用于测量样品(1)中的机械应变，所述应变测量装置包括
2.根据权利要求1所述的应变测量装置，其中
3.根据前述权利要求之一所述的应变测量装置，其中
4.根据前述权利要求之一所述的应变测量装置，其中
5.根据前述权利要求之一所述的应变测量装置，其中
6.根据前述权利要求之一所述的应变测量装置，包括以下特征中的至少一个
7.根据前述权利要求之一所述的应变测量装置，包括以下特征中的至少一个
8.一种用于测量样品(1)中的机械应变的应变测量方法，包括以下步骤
9.根据权利要求8所述的应变测量方法，
10.根据权利要求8至9之一所述的应变测量方法，
11.根据权利要求8至10之一所述的应变测量方法，
12.根据权利要求8至11之一所述的应变测量方法，包括
13.根据权利要求8至12之一所述的应变测量方法，包括以下至少之一
14.根据权利要求8至13之一所述的应变测量方法，还包括
