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微纳米观测与操控

纳米科技的最终目标是在原子、分子尺度上,制造具有新颖物理、化学和生物特性的器件和系统,从而为人类健康、信息技术、能源开发与利用、国家防御等科学研究和社会领域提供新的技术发展动力和机遇,实现上述目标的使能技术是纳米尺度下观测、操作和控制的科学方法与相关技术手段。
  原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)能够在多种环境下实现对纳米尺度物体的观测,并具有高分辨率、高精度的可控、可规划的作业机制,已成为纳米观测与操控科学研究和纳米制造应用技术研究的可行技术途径之一。围绕AFM技术,重点开展了如下几方面的研究:

一、 基于AFM的机器人化纳米操作系统技术研究

  应用AFM于纳米操作面临许多挑战性难题,如缺乏纳米尺度的动力学、运动学模型,缺乏实时的力、位置、状态等信息反馈,难以实现在线实时的交互监控操作功能,因而存在操作效率低下,可靠性差等问题。针对AFM在纳米操作中面临的挑战,通过引入机器人学监控作业理论方法,在基于AFM的纳米操作、加工等理论方法研究方面,取得了一些有意义的进展。

1、 基于增强现实的机器人化纳米操作系统研究


  借鉴机器人监控作业理论方法,在商用AFM系统基础上,通过加入操作力分析模型,位姿生成模型,实时信息交互、监控界面和增强现实等功能模块,构建了具有实时力/位置感知的纳米操作机器人系统如下图所示。该系统不仅可以提供基于模型的操作过程实时视觉反馈,还可以通过多维力反馈操作手柄让操作者感受到实时操作力,并可操控该手柄实现AFM探针的运动和操作力控制。这种具有实时视觉/力觉反馈的纳米操作方式,使得应用AFM进行纳米操作的效率得到了显著提升。在实时视觉/力觉监控信息帮助下,操作者可以有效实现纳米推动、刻画、加工等作业。

 

 

 


  纳米操作机器人系统结构图


2、视觉反馈误差实时诊断和在线修正

  增强现实技术可以为操作者提供基于模型的实时视觉反馈,但并非实时反应纳米操作场景的真实变化,其可信度取决于模型的准确程度。由于纳米尺度下各种非线性力的影响,如毛细力、范德华力、静电力等,目前很难建立精确的物理模型,这种模型误差将导致错误的视觉反馈并引起纳米操作的失败。因而研究了一种在线视觉反馈误差检测和修正方法。该方法采用了局部扫描和基于Kalman滤波的误差诊断方法,一是利用Kalman滤波器对视觉反馈进行可信度实时评估,二是对错误视觉反馈执行局部扫描,快速获取真实的纳米操作状态,并修正视觉反馈误差。由于局部扫描可以实时完成,因此视觉反馈误差修正可以在线完成,从而保证了监控信息的正确性,进一步提高了纳米操作效率喝可靠性。改进的纳米操作系统结构如下图所示。

具有视觉反馈误差诊断和修正功能的系统结构


3、 基于轻敲模式的可编程纳米操作

  开展了基于轻敲模式的可编程纳米操作研究。其原理是通过控制探针振幅以改变探针侧向名义刚度,在AFM系统调控机制制约下,产生一定的侧向作用力。通过运用小步长、快速移动等增强探针技术,在参数设定和控制策略指导下,可以预编程完成纳米尺度的平移和旋转操作。从而大大提高了纳米推动操作的效率和精度。
     

机器人化纳米操作的部分实验    


图A CNT推动实验:(a)(c)(e)视觉实时显示图像;(b)(d)(f)实际操作结果.

 
图B "CAS"纳米刻画实验:(a)实时界面显示,(b)刻画结果.

具有误差诊断和局部扫描的纳米操作实验
纳米颗粒操作

图A 在Polycarbonate表面操作半径175nm的纳米颗粒,扫描范围10um×10um:(a) 原始图像,箭头所指为操作对象,(b)实时显示的纳米操作结果,右图是图b中局部区域的放大,A表示从局部扫描得到的颗粒真实位置,B代表界面上显示的纳米颗粒位置.

 

图B 纳米颗粒的局部扫描轨迹和结果:(a)扫描轨迹,(b)扫描结果.

图 C 纳米颗粒操作实验:(粒子直径350nm),扫描范围:12um×12um.(a)原始位置,(b)操作过程显示,(c)操作结果.

纳米棒/颗粒操作实验


纳米棒操作实验:(a)原始位置,(b)操作过程显示,(c)操作结果.

编程纳米操作实验

 

 

 图A(a)

    (b)   

 图B(a)

 图B(b)

 

图A、B 采用增强探针模式的编程CNT操作实验:(a)为初始位置,(b)为操作结果.

二、基于微观电场的AFM纳米加工研究

  基于微观电场的原子力显微镜(AFM)纳米加工方法是通过在AFM导电探针和基底间施加一定电压,利用AFM针尖和基底间形成的强电场在一些基底 (Si,GaAs,Ti等) 表面加工出凸起在基底表面的氧化结构。另外,利用针尖和基底间的微观电场也可以对碳纳米管(CNT)进行氧化切割和焊接操作。这些研究的开展为CNT纳米器件的装配及制造探索了道路。

1、 AFM阳极氧化研究

  在基于电场的AFM纳米加工中,当在AFM导电探针和基底间施加一定电压时,AFM针尖和基底的纳米级间隙中会形成一个108~1010V/m 的强电场,在此电场的作用下针尖¬¬与基底间吸附的水膜中的水分子电解出H+及氧化离子OH-和O-,其中氧化离子与基底表面的原子发生电化学反应进而在基底表面生长出氧化结构。利用AFM电场进行纳米级加工是构建纳米结构的重要手段之一,该方法可以在半导体材料(Si,SiC等)和活性金属材料 (Ti,Al,Cr等)样本表面生长出氧化结构,如氧化点、氧化线、氧化文字等。


AFM阳极氧化原理

 

 

   

加工氧化点

加工氧化线

 

 

加工氧化文字"SIA NANO"

2、CNT的氧化切割及焊接研究

  碳纳米管 (CNT)是纳米加工中的重要材料之一,在CNT纳米器件的制造过程中如何精确控制CNT的长度是待解决的问题。CNT具有很强的韧性,通常CNT(特别是多壁CNT)很难通过AFM针尖直接将其割断,然而通过AFM电场加工方法可以很容易实现CNT的氧化切割。利用与阳极氧化加工类似的方法,使针尖在 CNT预进行切割的位置附件接近基底并与基底准接触,然后向针尖施加一定负电压,通过控制针尖的运动路径使其在CNT上预进行切割的位置上方经过,当施加的偏压超过某一值时CNT将被氧化割断。CNT被割断的原理是由于电场的作用使得AFM针尖的电子注射到CNT上,使得CNT表面的碳原子与基底表面自然吸附的水膜电解出的OH-发生电化学反应而气化,进而CNT在氧化点处被割断。
CNT氧化切割过程中的电化学反应如下:


CNT氧化切割

  AFM电场加工方法除了可以对CNT进行氧化切割,也可以实现对CNT的焊接。氧化加工方法可以在半导体及一些活性金属表面加工出几个纳米高的氧化点,利用这些氧化点可以将纳米物体包裹起来焊接在基底上。另外利用场蒸发方法, 即保持导电针尖在纳米物体上方几个纳米处,向针尖施加几十伏的大电压脉冲,则针尖上的导电涂层在电场作用下部分材料将滴定到基底上形成导体焊接点,提高 CNT纳米器件的电学性能。

CNT的焊接

三、基于DEP/ODEP的微纳操控技术

非均匀电场仿真

移动波电泳(twDEP)芯片

利用DEP装配在微电极之间的EG-CNTs

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