基于AFM的机器人化纳米操作系统综述

对基于扫描隧道显微镜(Scanning tunnel microscope,STM)及原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)的纳米操作技术发展进行阐述,针对其中存在的主要问题,引述出机器人化纳米操作的必要性。接着,对国内外机器人化纳米操作系统的研究进展、现状及存在的主要问题进行详细分析,提出基于AFM的机器人化纳米操作系统的结构原型,并指出实现机器人化纳米操作所需解决的关键技术问题及相应的解决方案之一,为进行深入的机器人化纳米操作研究提供了可以借鉴的研究方向。

AFM扫描图像重构算法的改进

针对原子力显微镜(AFM)纳米成像中存在的失真问题,研究了通过探针建模实现AFM扫描图像重构方法.目前探针盲建模算法在重构AFM图像时存在较大误差,因此提出基于探针模型预估计的AFM扫描图像重构方法.该方法采用分区探针针尖建模,并通过基于该探针模型的反卷积运算实现AFM扫描图像重构,获得比较接近真实形貌的AFM扫描图像.文中介绍了算法的具体步骤,通过仿真和实验结果证明,该方法能够有效降低AFM图像重构时引入的误差,得到的图像更能反映样品表面真实的形貌。

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。

SWCNT的脉冲气流定向排列及AFM操作

在利用单壁碳纳米管(SWCNT)进行各种纳电子器件阵列的制备过程中,SWCNT的定向排列及排列阵列中部分金属性SWCNT的电特性改性是关键环节之一.提出并采用基片下倾脉冲气流定向排列方法,实现了SWCNT的可控定向排列,初步实验表明84%的SWCNT排列方向与脉冲气流方向相差在-15°～15°内;然后利用改造后的原子力显微镜(AFM)纳米操作系统对定向排列后的单根SWCNT进行了各种操作,实现了Y型SWCNT的分离、SWCNT端部催化剂颗粒的去除、SWCNT上连续纳米纽结(buckles)的制造及拉断等工作,从而为实现SWCNT尺寸与形状的控制及其电特性的改性提供了一条可行途径。

基于AFM的机器人化纳米操作中纳观力的初步研究

针对基于原子力显微镜(AFM)的机器人化纳米操作,对探针作用下探针—基片—微粒之间纳观力的作用规律进行了初步分析.指出起主要作用的纳观力为范德华力、接触斥力、纳米摩擦力、毛细作用力以及纳米静电力等五种,并初步推导了各种纳观力的表达形式.通过力—距离曲线仿真与实验验证了所进行分析的合理性;该分析有助于进行纳米操作的精确控制.

ARM处理器在AFM纳米操作系统中的应用

文章介绍了在原子力显微镜(AFM)纳米操作系统中ARM处理器的应用及开发,在此基础上搭建了具有3D力反馈的纳米操作系统。结合AFM纳米操作系统的实时性问题,进行了ARM开发板的系统软件架构和PSD(四象限光电检测器)信号的PID控制结果的分析,使纳米操作系统在实时性和成像的质量等方面都得到相应改进。

基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工研究

纳米技术是在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的新兴科学技术。纳米加工技术是对纳米技术的重要应用，它使人类在纳米尺度上进行结构和器件的制造成为可能。基于原子力显微镜(AFM)的纳米加工是近20年来发展的技术，由于AFM具有许多新颖的技术特点(如高分辨率，可操控等)，因而基于AFM的纳米加工技术成为纳米科学研究的新热点。 本论文以纳米制造为背景，围绕基于AFM的纳米加工技术所涉及的科学问题，重点开展了基于机械力的AFM纳米操作和基于电场的AFM纳米加工的理论方法和实现技术研究。在这些研究的基础上，开展了基于纳观机械力的刻划、纳米颗粒的排列、碳纳米管的装配实验研究，开展了基于微观电场的氧化点、氧化线、氧化文字的加工实验研究，以及微观电场氧化切割、焊接加工方法的研究。 本文的主要内容包括：交互式纳米操作系统的构建，基于机械力的AFM纳米操作研究，基于电场的AFM纳米加工研究，基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工实验研究。具体如下： 在商用AFM的基础上，研究并搭建了具有力觉与视觉反馈的交互式纳米操作系统。通过该系统操作者可以实时感觉到操作中作用在AFM针尖的纳观力并控制针尖的运动，还可以实时观察到模拟出的针尖操作过程，因而显著提高了纳米操作的直观性、可靠性及效率。 在基于机械力的AFM纳米操作研究方面，为了理解纳观环境下普遍存在的黏附力特性，对AFM的力曲线进行了分析并给出了详细解释；通过研究探针悬臂的形变，提出了探针所受三维作用力的建模方法，以此模型获得了操作中的纳观力信息；基于多刚体动力学理论提出了碳纳米管的二连杆动力学建模方法，并对碳纳米管在操作中的弯曲特性进行了仿真分析。这些研究为基于机械力的AFM纳米操作提供了理论指导。 在基于电场的AFM纳米加工方面，研究了微观电场在样本表面的分布，建立了电场氧化加工中电场分布模型，以此模型分析了氧化物特性与电场分布的关系；对氧化加工中氧化物生长过程进行了动力学分析，得到了氧化物生长的理论模型；系统地研究了氧化加工中各因素(偏压，加工速度，针尖－样本距离等)对氧化结构生成的影响，总结了氧化物的生成与各因素的关系，验证了理论分析的结果，提高了电场氧化加工的重复性及可控性。这些研究为基于电场的AFM纳米加工提供了理论及实验依据。 在基于机械力与电场的AFM纳米操作/加工理论研究的基础上，进行了相关的实验研究。通过基于机械力的AFM纳米操作方法实现了在样本表面刻划文字，纳米颗粒的排列，碳纳米管的操作及装配；通过基于电场的AFM纳米加工方法实现了在样本表面加工氧化点，氧化线及氧化文字等纳米结构。利用电场氧化加工方法还实现了对碳纳米管的定点切割与焊接，拓展了AFM纳米加工的应用领域。这些实验研究验证了系统的操作及装配性能，证明了电场加工的有效性及具有潜在的应用前景。 本文的研究工作为制造纳米结构、纳米器件提供了一条可行的技术途径，对AFM纳米加工技术的进一步发展具有一定的理论参考及实践指导意义。

自然界中ZnS-CdS完全类质同象系列的发现和初步研究

过去认为在自然界中的Cd只能有限替代ZnS中的Zn。但是，近几年笔者在研究贵州牛角塘镉锌矿床时，经电子探针、扫描电镜和透射电镜等多种方法的研究，发现锌硫化物中的Cd主要以类质同象存在，其含量可从0．8％增至37．93％；镉硫化物中的Zn同样主要以类质同象存在，其含量为2．43％～38．64％。锌硫化物与镉硫化物成渐变的过渡关系，并且Zn与Cd成很好的负相关关系，相关系数达0．99以上，形成ZnS-CdS的完全类质同象系列。这一发现无论在矿物学，还是在地球化学和矿床学上都具有重要的理论意义和实用价值。

Preparation and characterization of palladium-based composite membranes by electroless plating and magnetron sputtering

Pd and Pd-Ag (24 wt.%) alloy composite membrane were prepared by electroless plating and magnetron sputtering, respectively. The membranes were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and H-2 permeation measurement. Commercial microfiltration ceramic membrane were coated with gamma-Al2O3-based layer by the sol-gel method and used as substrate of Pd and Pd-Ag alloy film. Both the as-prepared membranes were shown: to be He gas-tight at room temperature with a thickness of <1 mu m. Permeation results showed that H-2 permeation through these composite membranes is mainly dominated by the surface chemistry of H-2 on or/and in the membranes. The membranes exhibited a high permeation rate of H-2 and a H-2/N-2 permselectivity of higher than 60 in the optimized operation conditions. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Investigation of platinum utilization and morphology in catalyst layer of polymer electrolyte fuel cells

Platinum utilization in the gas-diffusion catalyst layer and thin-film catalyst layer is investigated. The morphology of PTFE and Nafion in a simulated catalyst layer is examined by scanning electronmicroscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results show that the platinum utilization of the thin-film catalyst layer containing only Pt/C and Nafion is 45.4%. The low utilization is attributed to the fact that the electron conduction of many catalyst particles is impaired by some thick Nafion layers or clumps. For the gas-diffusion (E-TEK) electrode, the platinum utilization is mainly affected by the proton conduction provided by Nafion. The blocking effect of PTFE on the active sites is not serious. When the electrode is sufficiently impregnated with Nafion by an immersion method, the platinum utilization can reach 77.8%. Transmission electron micrographs reveal that although some thick Nafion layers and clumps are observed in the Pt/C + Nafion layer, the distribution of Nafion in the catalyst layer is basically uniform. The melted PTFE disperses in the catalyst layer very uniformly. No large PTFE clumps or wide net-like structure is observed. The reactant gas may have to diffuse evenly in the catalyst layer. (C) 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved.

Preparation and characterization of Pd-Ag alloy composite membrane with magnetron sputtering

A Pd-Ag (24 wt%) alloy composite membrane was prepared by the magnetron sputtering. A gamma-Al2O3 membrane was synthesized by the sol-gel method and used as substrate of the Pd-Ag alloy film. The process parameters of the magnetron sputtering were optimized as a function of the compactness of the Pd-Ag alloy film. The best membrane with a thickness of 1 mu m was produced with a sputtering pressure of 2.7 Pa and a substrate temperature of 400 degrees C. The membrane had an H-2/N-2 permselectivity of 51.5-1000 and an H-2 permeation rate of 0.036-1.17 x 10(-5)cm(3)/cm(2).s. Pa, depending on operating conditions.

Morphology transcription process from CMC micelles to inorganogel and its effect on the properties of alumina particle

In this study, a carboxymethyl cellulose (CMC)-mediated sol-gel process was developed to synthesize the alumina hydoxide whiskers. During the process, inexpensive inorganic salts were used as precursors and supercritical drying method was used to extract the water in hydrogel. The influences of CMC on the gel formation and the particle morphology were investigated. The results show that the formation of CMC-aluminium hydroxide organic-inorganic hybridgels led to a morphology transcription process from CMC micelles to aluminium hydroxide gel, as a result, the precursor with whiskerious morphology was obtained.