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三维纳米机器人.doc
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三维纳米机器人.doc
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1. 引言
Iijima 观察后,确定了在球壳状碳分子烟尘内的第一个碳纳米管, 对碳纳米管
已经进行了许多研究工作. 理论和实验研究表明他们对碳纳米管有非凡的机械和
电气性能。机械、碳纳米管被视为最终纤维、电子的量子线、化学和生物作为探
针和纳米容器。Saitoand Hamada 首先预测碳纳米管的金属/半导体特性。Iijima
和 Ichihashi 合成了单壁碳纳米管。艾布森.Dai 和 L.Langer.Dai 也试图用单个纳
米管作为一种原子力显微镜悬臂分别对单壁碳纳米管进行测量,经研究发现,产
生了体积和 1.4 纳米的碳纳米管的单分散(性).Tans 和 Bockrath 注意到单个的
电子作用于单壁碳纳米管的个体或者纳米管束, lEEE 设备,就如碳纳米管量子电
阻和室温一样。最近已经报道了单壁碳纳米管抗弯刚度晶体管的关于力学性能方
面进行的研究。 这些研究表明,通过三维纳米操纵器, 已经解决了拉伸载荷下的
多壁碳纳米管的断裂强度和断裂机制.通过具有良好的虚拟现实界面原子力显微
镜的报告实现了二维平面中的一些碳纳米管的操作。
奈米操控技术,或是位置控制的奈米尺度, 都是对分子纳米技术研究的第一步,
随着纳米技术的进步,须进入纳米级进行对对象的操纵。尽管原子力显微镜可适
当小运动(十分之一埃), 但不能反复定位和保持亚埃级精确度,迟滞和漂移。这也
是目前只限于三个自由度,没有旋转控制的纳米操作技术。作为一个扫描探针,
它相当奏效;作为施工设备,它对二维平面实际上是有限的纳米技术。
三维空间中, 纳米操作技术操纵物体的纳米尺度的结构构造和装置非常显著
的。为了实现这样的操纵方法, 机械手的纳米复合决议将会是有用的工具。一个
纳米机器人的三维操作机器人的基本要求包括纳米尺度的位置分辨率,一个较大
的工作空间,三维定位最终效应的足够的自由度且通常也包括复杂行动的多末端
效应。由于在微/纳米秩序世界,专业的物理现象的产生,关键的技术之一将是如
何设计最终效应, 数据表明, 对纳米命令的对象之间的相互作用运用微型剪实现
选择和放置操作是非常困难的, 因为限幅器和目标之间的电磁波相互作用比重力
大从而造成限幅器离境变的困难. 因此, 在工具和对象之间通过控制的相互作用
以实现纳米操纵控制是一种更有前途的策略, 而不是使用一个夹钳。控制作用的
若干对策已经提出,并且也提出了远距离操纵系统的建议,基本实验也已经报导。
在下列情况中,第二部分首先提出了纳米机器人机械手,然后在第 3 部分介
绍了纳米机器人操作的策略, 在第 4 部分介绍一些操纵和实验报告。最后在第 5
部分对力的测量方法作了简要介绍。
2. 纳米机械手
一系列纳米机器人机械手发展起来。正如图中所示,有 3 个单元总共 10 种包
括一单元中放置样品基板的 3 自由度、第二单元中为原子力显微镜悬臂定位的一
个 1 自由度和第三单元中为了另一悬臂定位由压电陶瓷驱动的 6 自由度机械手。
为方便操作,样品基板也可以放在 2 或 3 单位。1 单元和 2 单元的线条分别为 6
毫米和 360 度旋转。粗动作的线性决议是 30nm(X,Y 和 Z 阶段)和二分之一的旋
转。由压电陶瓷驱动的第三单元是对一和二单元的步进运动补偿,其中包含有 6
个自由度的纳米秩序的决议。
在第一单元内,α 达到上述的 X - Y 级驱动,用来安装在硅衬底上,这是放置被
操纵的物体的装置。在硅衬底上涂铝薄膜充当电极运用电场产生介电电泳力量,
另一个电极可连接到二单位或三单元悬臂, 为了使悬臂端和硅板彼此之间相互绝
缘,聚酰亚胺薄膜粘结在铝薄膜上,在原子力显微镜的悬臂和样品之间的介电电
泳应用方法如图 2 所示,可知一单元的位置样品基质和二单元的悬臂是可交换的。
第三单元中由 8-PZY 驱动的 6 自由度机械手的设计是为了对一单元和二单
元的步进运动补偿。为得到更大的工作空间和更高的分辨率,双指令驱动和闭环
控制应用于微型运动机械手,执行器和传感器的叠加以保持三单元的小体积,从
而可以轻易讲纳米机器人放入扫描电镜中。
为了获得实时观测操作,机械手的整个装置安装在一个带有二次电子探测器
且拥有一个相对大型真空室的扫描电镜之内。该显微镜的分辨率指定为 4nm 的
30kV。然而,实时视频分辨率是两个或三个更低的某种因素。所有的导线穿过
扫描电镜室墙上通过孤立的真空馈通连接。所有的组件和电缆的机械手正确地从
扫描电镜观测区域中屏蔽,以尽量减少充电效果的图像失真。
由此可以发现,此类机械手满足纳米操纵的所有基本要求,拥有 10 自由度
和双悬臂的三个单元,其工作空间为 6×6×12mm³和 360º旋转。30nm 分辨率很粗
糙,但精细的 2mrad 纳米级处理,达到扫描式电子显微镜内真空室的精度。因此,
实时观测数据的操作得以实现,且悬臂提示和样品之间的力也可以通过多重曝光
技术进行测量。
3. 纳米级原则
作为处理微对象操纵、互动和电磁效应引起的量子力学不同于宏观世界,不
再是可以忽略的。举例来说, 在扫描电镜内部,一个直径 d 与 VHV 中的无限钢
板之间的相互作用,主要是范德华力
另一方面, 介电电泳力 F
dep
是一个函数的客观半径γ,介电系数为 ε0 情况
下, 介电系数 ε
0
和电场强度 Eo 关系式:
由于微观作用力是一个函数导数的电场强度,很容易通过改变应用电压控制
它,也更容易实现控制其它种类的胶粘剂的力。因为它产生非均匀电场梯度,它能
有效的运用顶尖,如原子力显微镜悬臂或者两电极。因此,或得一个物体放在板上
是可能的,如图 2。如果微观作用力比范德华力作用在物体上的力大,为了实现
此类操纵,两种方法能够有效地使用.其中之一是减少在[19]和[20] 所描的述范德
华力。另一种方法是控制强度和电场梯度。
图 3 所示, 当电压产生微观作用力是 100 伏特时,在扫描电镜内并不能将Φ
1µm 杆子放在一个理想的钢板上,因为在图 F
dep
<F
vdw
(在这种情况下,其他种类的
胶粘剂力可以忽略,因为他们大多小于范德华力)通过增加电压也可以实现操纵
(e.g.增加到 500V)从而提高微观作用力,或通过增加板粗糙度(e.g.b / z = 10 甚至
是 100)以减轻范德华力。
4. 操作实验
4.1 提起、放置和单壁碳纳米管弯曲
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老帽爬新坡
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