基于AFM的虚拟纳米手操作策略研究

针对纳米操作过程中存在的不确定性及AFM单探针带来的纳米粒子的稳定操作问题,提出了虚拟纳米手操作策略.该策略采用蒙特卡洛方法描述粒子的不确定性,在纳米粒子推动操作的运动学模型基础上,对AFM探针的作用参数进行规划,模拟多探针并行操作效果,将粒子的中心位置限制在规定误差范围内,从而可以避免操作过程中粒子的丢失,实现粒子的稳定高精度纳米操作,仿真结果与实验操作结果相对比,验证了虚拟纳米手操作方法的有效性.     

基于探针定位的原子力显微镜纳米操作虚拟夹具实现

尽管基于原子力显微镜(Atom force microscopy,AFM)的纳米操作在过去10年间取得了极大进展,但依然有两个问题没有得到很好解决:探针的精确定位和稳定性操作。由于压电陶瓷驱动器非线性和温漂的影响,使得探针相对于被操作物体的定位极其困难,从而造成纳米操作任务失败;同时,因为探针仅能对被操作物体施加点式作用力,在操作中经常出现探针滑过被操作物体,或者引起被操作物体的转动、形变等非理想结果,阻碍纳米操作的深入发展。针对上述问题,提出基于概率的虚拟夹具纳米操作方法,其核心思想是在基于路标观测的探针定位基础上,实现基于概率的探针多点并发操作策略—虚拟夹具方法。仿真与试验结果验证该方法可以稳定、长距离的推动纳米颗粒,能够对一维纳米材料(管、线、棒)进行定姿态操作,从而使AFM纳米操作效率得到极大提升。     

具有超媒体人机接口的纳米操作系统

当利用AFM作为纳米操作工具时,由于其缺乏实时的传感器信息反馈,操作完全在盲目的状态下进行,而使纳米操作难于进行.超媒体接口可以解决这个问题,在纳米操作过程中,超媒体接口不但可以为操作者提供实时动态更新的视觉反馈,还可以为操作者提供实时的三维力反馈,与此同时操作者还可以通过该接口直接控制探针的三维运动,实现人机交互式的纳米操作.纳米刻画以及多壁碳纳米管的推动实验验证了系统的效率和有效性.     

具有超媒体人机接口的纳米操作系统

当利用AFM作为纳米操作工具时,由于其缺乏实时的传感器信息反馈,操作完全在盲目的状态下进行,而使纳米操作难于进行.超媒体接口可以解决这个问题,在纳米操作过程中,超媒体接口不但可以为操作者提供实时动态更新的视觉反馈,还可以为操作者提供实时的三维力反馈,与此同时操作者还可以通过该接口直接控制探针的三维运动,实现人机交互式的纳米操作.纳米刻画以及多壁碳纳米管的推动实验验证了系统的效率和有效性.     

基于随机方法的AFM探针位置最优估算研究

由于受到驱动器PZT(Pb Zr Ti O3)非线性、系统温漂与其他不确定因素的影响,原子力显微镜(AFM)探针在任务空间的位置存在不确定性。这严重影响了AFM探针观测与操作的效率,如何减小探针位置的不确定性,实现AFM探针的精确定位成为亟待解决的问题。针对此问题,提出用概率分布的方式描述探针位置的不确定性,通过建立探针运动模型,结合基于局部扫描的观测模型,采用Kalman滤波对探针位置进行最优估算。针对算法的实现,设计了模型参数标定方案。通过仿真和实验的结果验证了算法的有效性与可行性,实现了探针在任务空间中的精确定位,提高了纳米操作效率。     

具有三维力反馈的原子力显微镜纳米操作系统

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中，由于缺乏实时反馈信息，造成纳米操作效率低下且灵活性差，同时探针因受力过大而损坏。为此，本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法，从而获取探针所受的实时三维纳米力。将此三力经比例放大后送人力／触觉设备进行感知，操作者就可以实时调节施加在探针上力的大小及探针的运动轨迹，使得操作的效率及灵活性明显提高，且可以避免探针因受力过大而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了系统的有效性。     

柔性并联微夹取器的动力学分析及试验研究

针对一种具有毫米级操作空间和纳米级位移分辨率的、由直线超声电机驱动的柔性并联微夹持器,进行了动力学建模分析和实验研究。基于筷子夹取物体的操作原理,该微夹持器采用并联双层的结构形式。利用单位向量法,基于万向柔性铰链两端面始终平行的假设建立了微夹持器的运动学模型,表明了电机输入与操作末端输出之间的关系。采用ADAMS软件构建了微夹持器的刚柔耦合动力学仿真模型,由反向动力学仿真分析得到了微夹持器运行过程中几个重要的特征参数;由向前动力学仿真分析得到了操作末端,即探针尖端在给定输入函数下的位移、速度和加速度响应参数。对微夹持器的性能测试和夹取实验结果表明,该微夹持器的运行范围为2332μm×2109μm×20000μm,位移分辨率达到0.1μm,能够实现对微小物体的夹取操作。     

基于黏滑运动原理的单自由度纳米定位台设计与动力学分析

为解决基于扫描电镜纳米操作系统定位驱动方面的关键技术,分别研制能够实现水平定位和垂直定位的单自由度纳米定位台。定位台采用黏滑驱动原理,驱动机构采用柔性铰链设计,O形调节圈的引入既实现摩擦力的精密调节又保证整体结构的紧凑。为研究黏滑驱动原理和辅助纳米定位台设计,建立单自由度纳米定位台的动力学模型。考虑压电陶瓷的动态特性和摩擦力的非线性变化,对压电驱动模型进行线性化处理,引入LuGre模型实现对摩擦力的表达。试验结果表明该动力学模型能够有效地描述黏滑定位台的运动状态。单自由度水平和垂直纳米定位台的最大外形尺寸分别为24 mm×24 mm×17 mm和24 mm×24 mm×34 mm,均具有8 nm定位分辨率和50 mm行程,最大负载质量可达66 g。利用所设计的两种纳米定位台搭建基于SEM的双探针纳米操作系统,纳米线双探针操作试验表明该两种纳米定位台完全满足SEM下进行纳米操作的要求。     

基于精确探针模型的AFM图像重构研究

原子力显微镜技术已在纳米成像中得到了普遍应用.但实验表明,AFM图像在水平方向分辨率较低,其中探针针尖形貌是影响扫描图像分辨率的关键因素之一.为了提高AFM扫描图像的分辨率,改善成像质量,一种可行的方法是通过建立探针模型后,重构扫描图像.在已有的探针建模方法中,普遍采用盲建模算法.针对目前盲建模算法中降噪阈值难以优化问题,提出了一种降噪阈值最优估计新方法.该方法可以使盲建模算法更准确地建立扫描方向上的探针形貌轮廓,进而完成3D探针模型.通过应用AFM探针扫描多空铝和标准栅格实验,介绍了探针针尖形貌精确建模的方法.然后使用数学形态学的腐蚀运算对标准栅格的AFM成像进行了重构,验证了上述方法的有效性.实验结果证明,重构后的图像中降低了探针针尖形貌的失真影响,可以显著改善扫描探针显微镜成像的水平分辨率.     

原子级光滑表面的制造技术与机理研究

报告中国国家重点基础研究发展计划(973计划)项目《高性能电子产品设计制造精微化、数字化新原理和新方法》中有关于原子级光滑表面制造的基础研究中所取得的进展和阶段性成果.包括CMP的若干关键技术的突破,化学机械抛光的机理研究,CMP中纳米粒子行为的计算机模拟和实验研究. 开展原子级光滑表面制造和化学机械抛光开展的实验研究,理论分析和计算机模拟.内容包括固体磨粒材料的选择,磨粒的表面修饰和分散,磨粒大小和含量的优化;抛光液中氧化剂,络合剂,缓释剂和其它化学助剂的作用机理;抛光压力速度等工艺参数的优化,抛光中纳米粒子的行为以及纳米团簇-硅基体碰撞过程的分子动力学模拟,纳米粒子与基体的冲击实验,抛光过程和二相流动中纳米粒子运动的荧光跟踪观察等.研究结果表明,抛光液中的固体磨粒对抛光中的材料去除和高质量表面的形成具有重要的贡献.减小颗粒的粒径一般有利于改善表面质量,但关键是保证粒子的大小均匀,因为大颗粒容易造成表面划痕或缺陷.通过对固体磨粒的含量和大小尺寸的优化,可以获得高质量的抛光表面、同时保证较高的抛光去除速率.除了固体磨粒外,抛光液中还包含氧化剂,络合剂,缓释剂,以及多种化学助剂.氧化剂与抛光工件表面发生化学反应形成软质钝化层,以便通过抛光垫和磨粒的机械作用加以去除,形成“氧化去除-氧化”的材料去除循环.但钝化层的形成阻碍了氧化反应过程的继续发展,络合剂的作用是与氧化反应产物形成流动性较好的络合物,从而增加了钝化层的化学活性,使氧化反应和材料去除得以继续发展,高品质的抛光液的研制取决与对抛光液中各种化学成分的精心调配和长期的潜心试验.我们在计算机磁头,磁盘基片,硅片和集成电路芯片等化学机械抛光研究中取得了重要的技术进展,研制出多种高品质CMP抛光液,成功地实现了原子级光滑表面的抛光,表面粗糙度和波纹度的参数Ra和Wa的测量值达到或优于国际著名商用抛光液的水平.在硅片抛光中,运用复合螫合和创新性制作工艺等关键技术,成功解决了抛光液循环使用过程中pH值不稳定、使用寿命短等难题.通过对SiO2纳米团簇与单晶硅基体碰撞作用的分子动力学模拟研究了抛光中纳米粒子的行为.模拟表明具有一定动能的纳米粒子与基体的碰撞作用可导致基体变形和非晶化相变,并当粒子速度超过临界值Vcr时通过挤推(extrusion)作用形成撞击坑.临界速度与粒子的入射角度、基体的晶格取向等因素有关.在碰撞过程中纳米粒子的动能大部分转化为基体的变形能和热能,提高粒子动能向基体变形的转化比例,有利于提高材料去除效率.纳米粒子与硅基体的冲击实验中也观察到相似的撞击坑,在基体表层和撞击区域内部均观察到了非晶化相变,在一定程度上验证了模拟结果.此外还利用荧光示踪技术观察了CMP加工抛光液以及二相流动中纳米粒子的运动规律. 有关研究纳米粒子行为的研究是初步的,在分子尺度上模拟了一个粒子的碰撞行为.实际的化学机械抛光过程往往涉及大量固体粒子的碰撞、犁削、磨损与刻划等作用是复合作用,纳米粒子的运动被局限在抛光垫与基体之间的狭窄空间内,粒子行为涉及量子尺度的化学-机械作用耦合和协同,原子尺度的切削与碰撞,介观与宏观尺度的磨损和平整化等跨尺度材料去除过程,这些还需要进行更深入的研究.     

The Effects of Interface Structure and Polymerization on the Friction of Model Self-Assembled Monolayers

The friction between two model atomic force microscope tips and two hydrocarbon monolayers has been examined using molecular dynamics simulations. An amorphous hydrocarbon tip and a flat diamond tip were both employed. One monolayer was composed of linear alkane chains and the other was composed of chains that were polymerized in a regular pattern near the tip–monolayer interface. When friction is decomposed into the forces on individual chains pushing and resisting sliding, the monolayer composed of linear alkane chains exhibited strong pushing forces immediately after clearing tip features at the sliding interface. When this monolayer is paired with the amorphous tip, the strong pushing forces resulted in low friction compared to a monolayer composed of polymerized chains. When the diamond tip is employed, commensurate meshing with the chains of the linear-alkane monolayer resulted in chains resisting tip motion for longer durations. The consequence of this is higher friction compared to the polymerized monolayer, despite the linear-alkane monolayer’s more symmetric chain response at resisting-to-pushing transitions.     

The effect of off-end tip distance on the nanomanipulation based on rectangular and V-shape cantilevered AFMs

The AFM system, which is used as a nanomanipulator, includes a probe consistent of a cantilever and a tapered tip. In cantilevers, the tip can be located in different distances from the cantilever free end. This causes to change in stiffness of the cantilever and therefore changing in pushing force of the nanomanipulation. In this paper, the effect of the tip distance on the cantilever stiffness is studied using the equations of Hazel, and Neumeister and Ducker (ND), and a new equation to correct the torsional stiffness of V-shaped cantilevers (VSC) is proposed, which is based on the ND equation. Then, the effect of distance on pushing force of AFM-based nanomanipulations with rectangular cantilevered (RC) and VSC AFMs is simulated. The obtained results using proposed equation show that increasing of distance causes to non-linear increment of torsional stiffness of VSC. Error of the proposed equation is achieved less than 3% in comparison with result of torsional stiffness equation of ND. Moreover, it is observed that the torsional stiffness of VSC predicted by Hazel’s equation is considerably inaccurate. In nanomanipulation studies, the necessary pushing forces of nanoparticle motion are increased by increment of distance, for both types of cantilevers (RC and VSC). Moreover, critical time for RC AFM increases, but in the case of VSC AFM, the critical time decreases at first, then it is almost constant at a limited range of d, and finally it starts to increase by increasing the distance.     

Unstable amplitude and noisy image induced by tip contamination in dynamic force mode atomic force microscopy

Liquid 1-decanethiol was confined on an atomic force microscope (AFM) tip apex and the effect was investigated by measuring amplitude-distance curves in dynamic force mode. Within the working distance in the dynamic force mode AFM, the thiol showed strong interactions bridging between a gold-coated probe tip and a gold-coated Si substrate, resulting in unstable amplitude and noisy AFM images. We show that under such a situation, the amplitude change is dominated by the extra forces induced by the active material loaded on the tip apex, overwhelming the amplitude change caused by the geometry of the sample surface, thus resulting in noise in the image the tip collects. We also show that such a contaminant may be removed from the apex by pushing the tip into a material soft enough to avoid damage to the tip.     

Quantifying Pathways and Friction of Nanoparticles During Controlled Manipulation by Contact-Mode Atomic Force Microscopy

Measuring interfacial friction during the manipulation of nanoparticles is becoming an increasingly important approach in nanotribology research. In this work, antimony and gold particles deposited on flat graphite surfaces have been translated by the tip of an atomic force microscope in contact mode along defined pathways. Two different manipulation techniques are discussed with respect to pathway control and friction quantification. The first technique includes pushing the particles from the side, which often results in a loss of the particle during translation due to unwanted sidewards motion. We analyze this phenomenon with an analytical model and find good agreement with experiments. An alternative approach is to move the particle while the tip remains on its top. We demonstrate that this approach allows better manipulation pathway control and that simultaneous interfacial friction measurements are in quantitative agreement with the first manipulation method.     

Sensitivity analysis of nanoparticles pushing critical conditions in 2-D controlled nanomanipulation based on AFM

This paper investigates the sensitivity of critical parameters in AFM-based nanomanipulation, including the nanoparticle pushing force and time versus changing all parameters of the nanomanipulation process. The presented model includes both adhesional and normal friction forces. Also, pull-off forces are modeled by using the Johnson–Kendall–Roberts (JKR) contact mechanics model. Dynamic equations are developed based on the free body diagram of the pushing system, including AFM cantilever and probe, nanoparticle, and substrate. Dynamic simulation of gold particle manipulation on a silicon substrate is performed. In this model, the nanoparticle can be traced at every moment and at the same time all the dynamics and deformations of nanoparticle can be achieved from numerical simulation. Depending on obtained diagrams for parameters sensitivity, the suggested behavior will be followed by the particle such as rolling, sliding, stick-slip, and rotation. Its novelty is that the sensitivity of critical force and critical time for particle pushing on the substrate are obtained for all parameters. This is important for designing and choosing of geometry and materials of AFM, nanoparticle, and substrate. Also this is effective on choosing of proper initial condition in pushing purposes. Finally, it can be used to adjust proper pushing time and force for an accurate and successful pushing and assembly, and real-time visualization during micro/nanomanipulation using real-time force data.     

基于ADAMS与MATLAB的药仓推药链联合仿真

通过建立虚拟样机的方法对推药链的推药动作进行仿真,首先利用SolidWorks绘制推药链三维模型,再将模型导入ADAMS中。结合ADAMS中的宏命令,建立药仓推药链的虚拟样机模型。采用经典PID控制算法在MATLAB/Simulink仿真平台中建立推药链控制系统模型,最后在ADAMS与MATLAB之间建立数据接口,完成药仓推药链联合仿真系统搭建。在仿真过程中对PID控制参数不断进行调整和优化,获得了较为理想的控制效果。     

纳米硬度计研究多晶硅微悬臂梁的弹性模量

利用纳米硬度计通过微悬臂梁的弯曲试验来测量其力学特性是一种简便而有效的方法,具有很高的载荷分辨率,可精确测量微悬臂梁纳米级弯曲形变。运用该方法在研究微悬臂梁的弯曲形变过程中,必须考虑压头在微悬臂梁上的压入以及微悬臂沿宽度方向的挠曲。微悬臂梁采用普通的集成电路工艺(IC)制造。试验研究表明,多晶硅微悬臂梁的纯挠曲与载荷成很好的线性关系,呈现弹性变形,通过该线性关系可计算得到梁的弹性模量。测得的多晶硅微悬臂梁的弹性模量为156±(2.9%-6.3%)GPa。     

基于有限元的镶齿牙轮钻头压齿力计算

采用有限元技术对镶齿牙轮钻头压齿力进行了计算,论述了81/2XHP3型钻头压齿力有限元模拟的关键技术与实现方法,建立了有限元计算模型,获得压齿力的变化规律。结果表明方法有实用价值。     

金属带式无级变速器的研究综述

金属带式无级变速传动是汽车理想的传动方式,是各国研究者和汽车公司研究的重点,回顾了金属带式无级变速器的发展历史,论述了其研究的重要意义,评述了金属带式无级变速器的国内外研究现状,展望了金属带式无级变速器电液控制系统控制策略研究的发展趋势。     

一种基于生成对抗网络与模型泛化的 机器人推抓技能学习方法

杂乱环境中机器人推动与抓取技能自主学习问题被学者广泛研究,实现二者之间的协同是提升抓取效率的关键,本文提出一种基于生成对抗网络与模型泛化的深度强化学习算法GARL-DQN。首先,将生成对抗网络嵌入到传统DQN中,训练推动与抓取之间的协同进化;其次,将MDP中部分参数基于目标对象公式化,借鉴事后经验回放机制(HER)提高经验池样本利用率;然后,针对图像状态引入随机(卷积)神经网络来提高算法的泛化能力;最后,设计了12个测试场景,在抓取成功率与平均运动次数指标上与其他4种方法进行对比,在规则物块场景中两个指标分别为91.5%和3.406;在日常工具场景中两个指标分别为85.2%和8.6,验证了GARL-DQN算法在解决机器人推抓协同及模型泛化问题上的有效性。