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2001屆IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議
于2001年五月韓國(guó)漢城舉行
多壁碳納米管的三維超微型機(jī)械人裝置操作
利辛東*，秋篠宮文仁親王新井*，和福田敏男*
*名古屋大學(xué)微系統(tǒng)工程系
**名古屋大學(xué)××中心合作研究在先進(jìn)的科學(xué)與技術(shù)
日本名古屋464-8603東區(qū)，呋喃首席人事官
dong@robo.mein.nagoya-u.ac.j p, arai@mein.nagoya-u.ac.j p, fukuda@mein.nagoya-u.ac.j p
摘要：
多壁碳納米管（碳納米管）是在三維空間中操縱一10-DOF 超微型機(jī)械人裝置操縱，這包括壓電換能器,促進(jìn)驅(qū)動(dòng)（新焦點(diǎn)Inc.）和內(nèi)部的掃描操作，電子顯微鏡（SEM）。機(jī)械手的粗線的分辨率優(yōu)于30nm（X，Y，Z階段驅(qū)動(dòng)促進(jìn)）和旋轉(zhuǎn)一個(gè)2毫弧度，而光纖制造設(shè)備運(yùn)動(dòng)的決議（驅(qū)動(dòng)PZT）是在納米級(jí)的。原子力顯微鏡的懸臂作為末端執(zhí)行器。操作的多壁碳納米管的幾種與介電電泳和范德瓦爾斯部隊(duì)的協(xié)助下開發(fā)的機(jī)器人進(jìn)行。估計(jì)尺寸Φ40nmx7plm單壁碳納米管被原子力顯微鏡懸臂拾起。另一個(gè)50nmx6pm 米碳管之間放置兩個(gè)懸臂，還有一個(gè)040nmx8u米碳管的彎曲懸臂和樣品基質(zhì)。碳納米管（CNTs）連接是基于碳納米管更復(fù)雜的設(shè)備的基本構(gòu)建塊。交叉連接兩個(gè)為~Φ40nm×6um，~Φ50nm×7μm的維度，和一個(gè)丁字路口是由兩個(gè)碳納米管的~Φ40nm×3um.force測(cè)量尺寸進(jìn)行抗彎剛度和一個(gè)~Φ30nm×7μm厚的多壁碳納米管，它們楊氏模量的估值分別是8.641×l0-20nm2和2.17tpa。這樣操作的兩個(gè)性質(zhì)研究的碳納米管和碳納米管為基礎(chǔ)的納米電子機(jī)械系統(tǒng)制造是必不可少的。
關(guān)鍵詞：三維操縱，碳納米管，碳納米管，納米電子機(jī)械系統(tǒng)懸臂，介電電泳，掃描電鏡
1、介紹
飯島愛(ài)后[ 1 ]觀察和鑒定第一奈米碳管（CNT）在富勒烯煙炱，許多研究工作已經(jīng)完成對(duì)碳納米管的理論和實(shí)驗(yàn)，它們研究表明他們有特殊的機(jī)械和電氣性能。機(jī)械地說(shuō)，碳納米管作為最終的纖維，電子的量子線，和化學(xué)和生物探針和納米容器。西都[ 2 ]和[ 3 ]首先預(yù)測(cè)濱田的碳納米管的金屬/半導(dǎo)體性質(zhì)。單壁碳納米管（SWNTs）的合成由飯島愛(ài)的AML橋[ 4 ]。個(gè)人多壁管（MWNTs）分別測(cè)定由西班牙的[ 6 ]埃布森 [ 5 ]，西班牙的[ 8 ]L蘭格[ 7 ] 使用一個(gè)單獨(dú)的碳納米管原子力顯微鏡尖端的技術(shù)。帖后[ 9 ]產(chǎn)生散、單分散的單壁碳納米管l.4-nm。曬黑[ 10 ]和巴克拉斯[ 11 ]在個(gè)別單壁碳納米管和束中觀察到單電子效應(yīng)。最近有報(bào)道[ 12 ],裝置如碳納米管量子電阻和室溫下的單壁碳納米管晶體管，對(duì)其機(jī)械特性進(jìn)行了研究[ 14 ]，在這些研究中，利用原子力顯微鏡與一個(gè)優(yōu)秀的虛擬現(xiàn)實(shí)界面的二維平面中的碳納米管的一些操作報(bào)告[ 18 ]，可知在拉伸載荷作用下的破壞機(jī)理和多壁碳納米管的強(qiáng)度已經(jīng)解決了三維操縱[ 16 ]的幫助。
納米操縱，或位置控制在納米尺度，是對(duì)分子納米技術(shù)的第一步。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，需要操縱成為進(jìn)入納米尺度的物體。雖然原子力顯微鏡（原子力顯微鏡）是能夠適當(dāng)?shù)男?dòng)作（埃的十分之一），但不能重復(fù)的位置。這也是目前有限的三個(gè)自由度，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的控制。作為掃描探針，它工作得很好；作為一個(gè)納米技術(shù)的施工設(shè)備，它實(shí)際上是有限的到二維平面。
這是在三維空間中構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)與器件非常重要的操縱納米對(duì)象。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操作，具有納米級(jí)分辨率的機(jī)器人將是有用的工具。對(duì)于一個(gè)超微型機(jī)械人裝置操縱三維操作的基本要求包括納米尺度的位置分辨率，相對(duì)大的工作空間，足夠的自由度的末端執(zhí)行器的三維定位，并通常與復(fù)雜的操作，多終端效應(yīng)。一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)將如何設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器在微/納米級(jí)的世界[ 19 ]的物理現(xiàn)象？它是申請(qǐng)一個(gè)微型帆船實(shí)現(xiàn)納米級(jí)物體的拾取和放置操作，而它已被證明。因?yàn)榧舻逗臀矬w之間的電磁相互作用引起大于重力引起的剪應(yīng)不同[ 19 ]對(duì)象的離開。因此，它是一個(gè)更廣闊的戰(zhàn)略，是通過(guò)控制相互作用的工具和對(duì)象，而不是用夾持器之間實(shí)現(xiàn)納米操作?；緦?shí)驗(yàn)報(bào)道[日]幾種策略控制的相互作用已經(jīng)提出[ 19-2l ]，和一個(gè)遙控觸摸系統(tǒng)也被提出[ 22 ]。
在下面，一個(gè)超微型機(jī)械人裝置操縱在2節(jié)首先介紹，然后對(duì)超微型機(jī)械人裝置操縱策略3節(jié)中介紹的一些實(shí)驗(yàn)操作，并在4節(jié)中的報(bào)道。在5節(jié)中，力測(cè)量方法的介紹
2。超微型機(jī)械人裝置操縱
開發(fā)了一套超微型機(jī)械人裝置操縱。如下圖所示，有3個(gè)單位共10自由度包括三自由度單元（x-y-a階段，一個(gè)是沿x軸旋轉(zhuǎn)）放置樣品基板，一個(gè)單自由度單元2（Z級(jí)）定位的原子力顯微鏡懸臂梁和六自由度壓電驅(qū)動(dòng)單元3個(gè)懸臂梁的定位。樣品基板，也可以放在2或3方便操作單元。單元1單元2具有線性沖程6mm和旋轉(zhuǎn)360度。對(duì)于粗運(yùn)動(dòng)的線性分辨率為30nm（X，Y和Z階段）和旋轉(zhuǎn)一個(gè)2mrad。3單元是用于補(bǔ)償步進(jìn)運(yùn)動(dòng)單位L和2的壓電驅(qū)動(dòng)的，具有納米級(jí)分辨率的六自由度。
在X-Y臺(tái)旋轉(zhuǎn)毛發(fā)運(yùn)動(dòng)（新焦點(diǎn)Inc.）由兩個(gè)平移安裝硅基板毛發(fā)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，這是用于放置被操縱的。在硅襯底，薄膜的鋁涂層作為施加電場(chǎng)產(chǎn)生電極的介電泳力。另一個(gè)電極可以是有線或懸臂單位2或3。使懸臂尖端和硅板絕緣對(duì)方，聚酰亞胺薄膜粘貼在鋁膜。原子力顯微鏡懸臂和樣品之間的介電電泳的方法示于圖（接線單元3是類似的Z級(jí)，因此未顯示）。請(qǐng)注意，在單位L樣品基板的位置和懸臂梁2交換單元。
六自由度8驅(qū)動(dòng)單元用來(lái)補(bǔ)償單位L和2步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。為獲得更大的工作空（26x22x35ltm3）和一個(gè)更高的分辨率，雙指令驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)控制應(yīng)用于此微刻手。致動(dòng)器和傳感器的疊加使3號(hào)機(jī)組變?yōu)樾∏傻捏w積，容易放入掃描電子顯微鏡 [ 25 ]。
獲得實(shí)時(shí)觀測(cè)的機(jī)器人操作，全套安裝在掃描電鏡（JEOL jsm-5300）和二次電子探測(cè)器，具有相對(duì)大的真空室。顯微鏡的分辨率被指定為在30kV中4nm，然而，實(shí)時(shí)視頻的分辨率是兩個(gè)或三個(gè)較低的一個(gè)因素。所有的導(dǎo)線通過(guò)隔離真空饋通器通過(guò)掃描電鏡室壁連接。所有的機(jī)械部件和電纜從掃描電子顯微鏡觀察區(qū)域得到了妥善的保護(hù)，減少圖像失真的充電效果。
可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人滿足所有的納米操作的基本要求。它共有10自由度和三個(gè)單位的雙懸臂梁，工作空間6x6x12mm3與3600旋轉(zhuǎn)，粗分辨率為30nm和2mrad而細(xì)的納米尺度。它是為里面的一個(gè)掃描電鏡的真空室，所以對(duì)于操作的實(shí)時(shí)觀測(cè)是實(shí)現(xiàn)和懸臂尖端和樣品之間的力也可以用多次曝光技術(shù)測(cè)量。
3、超微型機(jī)械人裝置操縱原理
處理微對(duì)象，由量子和電磁效應(yīng)引起的相互作用不可忽視，這是不同于宏觀世界。例如，在珠直徑和在掃描電子顯微鏡真空無(wú)限板之間相互作用的主要是范德瓦爾斯力[ 22 ]。 另一方面，介電電泳力格式化數(shù)據(jù)輸入程序是一個(gè)客觀珠半徑R函數(shù)，珠8和電場(chǎng)E0的介電系數(shù)。
由于介電泳力是電場(chǎng)強(qiáng)度的梯度功能，很容易通過(guò)改變AP控制：使用電壓。它也更容易實(shí)現(xiàn)比控制其他種類的粘附力。用于產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)梯度，用鋒利的針如原子力顯微鏡懸臂梁與板的兩個(gè)電極，它是有效的。因此，可以拿起一個(gè)物體放置在板如圖2所示如果介電泳力大于范德瓦爾斯作用力的粒子。為了實(shí)現(xiàn)這樣的操作，有兩種方式可以有效地使用，其中一個(gè)減少范德瓦爾斯的部隊(duì)在[ 19 ]和[ 20 ]描述。另一種方法是控制強(qiáng)度和電場(chǎng)梯度
場(chǎng)。
如圖所示，一個(gè)放置在一個(gè)理想的板（粗糙度，B = 0，因此B / Z = 0）在掃描電子顯微鏡中不能拿起時(shí)產(chǎn)生的介電泳力電壓為100V（3區(qū)）。因?yàn)楦袷交瘮?shù)據(jù)輸入程序＜前輪驅(qū)動(dòng)（在這種情況下，粘結(jié)力的其他種類被忽略，因?yàn)樗鼈兒艽蟪潭壬喜患胺兜峦郀査梗?。該操作可以?shí)現(xiàn)通過(guò)增加電壓（例如多達(dá)500）以提高介電泳力，或通過(guò)增加的粗糙度（如B / Z = 10甚至100）的板以減少范德瓦爾斯力珠。
4、操作實(shí)驗(yàn)
4. 1在多壁碳納米管中拿起，放置，彎曲
與發(fā)達(dá)的超微型機(jī)械人裝置操縱的，單個(gè)碳納米管操作某些種類都試過(guò)了。我們的目標(biāo)是構(gòu)建碳納米管的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)研究他們的機(jī)械和電子特性，在這里我們顯示了一些初步分析結(jié)果。
圖4顯示一個(gè)單一的M通風(fēng)孔是拿起的原子力顯微鏡懸臂的2個(gè)單位，其中有一個(gè)大概的尺寸q40nmx7y，M.圖表明多壁碳納米管之間放置兩個(gè)懸臂，和6顯示了多壁碳納米管彎曲。這樣的操作是必不可少的兩個(gè)性質(zhì)研究的碳納米管和碳納米管的制備和制造基于計(jì)數(shù)器的納米電子機(jī)械系統(tǒng)。
4.2多壁碳納米管路口建設(shè)
4.2一種接頭的類型
最近一種接頭的可能性對(duì)連接管的不同直徑和手性產(chǎn)生了相當(dāng)大的興趣 [ 30 ]，這是因?yàn)樵撀房谑羌{米電子器件的構(gòu)建塊的可能性。雖然連接是隨機(jī)發(fā)現(xiàn)了碳納米管樣品，但這是找來(lái)制造這樣的基本結(jié)構(gòu)的技術(shù)意義。CNT連接施工難度取決于連接的類型。碳納米管連接類型以碳納米管的類型確定，碳納米管的結(jié)構(gòu)和連接方法：
（1）種碳納米管
1）金屬單壁碳納米管
2）半導(dǎo)體單壁碳納米管
3）金屬單壁碳納米管
4）的多壁碳納米管（金屬）
（2）配置
1）V或j-接頭
2）丁字路口
3）Y-路口
4）X-路口
5）更復(fù)雜的（例如，3D）連接
（3）連接措施
1）范德瓦爾斯
2）電子束焊接
3）化學(xué)鍵
4）其它方法
4.2.2多壁碳納米管的路口
（1）X結(jié)
一個(gè)X結(jié)（交叉路口）與q40nmx6ym和維度（P 50nm×7P）兩個(gè)多壁碳納米管的。如圖所示，兩個(gè)多壁碳納米管負(fù)載的碳納米管在樣品基質(zhì)和原子力顯微鏡懸臂原材料之間。雖然不能確定清楚如何兩個(gè)多壁碳納米管連接從掃描電子顯微鏡的局限性，它是合理的說(shuō)他們的軍隊(duì)與范德瓦爾斯。我們?cè)谶@里展示一個(gè)X結(jié)和一個(gè)丁字路口的多壁碳納米管的范德瓦爾斯部隊(duì)的超微型機(jī)械人裝置操縱節(jié)理。
（2）丁字路口
一個(gè)丁字路口是q40nmx3pt尺寸，M和p50nmx2ym兩個(gè)碳納米管，如圖所示。丁字路口舉行的原子力顯微鏡懸臂。同樣地，好像兩個(gè)多壁碳納米管與范德瓦爾斯軍隊(duì)節(jié)理。
5、力的測(cè)量
懸臂和物體之間的力信息的重要是因?yàn)樗鼘?duì)機(jī)械手的控制的必要性和對(duì)碳納米管和碳納米管結(jié)的特性研究，以及更復(fù)雜的碳納米管結(jié)構(gòu)。采用掃描電子顯微鏡圖像和校準(zhǔn)的原子力顯微鏡的懸臂與視頻或多次曝光技術(shù)測(cè)量的力量。
5.1抗彎剛度的多壁碳納米管
一個(gè)單一的碳納米管的屈曲，我們?cè)噲D通過(guò)測(cè)量受碳納米管和碳納米管和懸臂梁的變形力評(píng)估碳納米管的剛度。圖（a）和（b）顯示兩個(gè)連續(xù)的掃描電鏡圖像幀記錄在彎曲過(guò)程中，（c）和（d）描述分析模型（a）和（b），分別和（E）顯示在多壁碳納米管的力量。根據(jù)歐拉公式和力的平衡關(guān)系，可以得到以下方程。
其中，W ]和W2是屈曲力受基體的碳納米管，F(xiàn)是在圖9懸臂反應(yīng)力的差異（A）和（B），E / Z的楊氏模量，是面積的二次矩，和其他參數(shù)和它們的值在表1列出，在那里Al，A2，嗨，H2值，8和D測(cè)圖（a）和（b），k是一個(gè)格溫校準(zhǔn)值。
掃描電子顯微鏡限制我們得到的碳納米管的納米管和詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)的直徑的精確值，因此難以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的楊氏模量值。但得到的楊氏模量的一個(gè)保守的估計(jì)，這是實(shí)心圓柱和D = 30nm合理的假設(shè)。然后我們得到了E = 2.17tpa。這是一點(diǎn)點(diǎn)比[ 14 ]中獲得的平均值，在那里他們應(yīng)用熱振動(dòng)的方法和得到的平均值E = 1.8tp，但單個(gè)納米管的數(shù)據(jù)范圍從0.4到4.15tpa。通過(guò)多次曝光技術(shù)測(cè)量在式（5）的結(jié)果是合理的。
5.2力如圖10顯示了這個(gè)力測(cè)量方法的原理
兩個(gè)校準(zhǔn)懸臂“戰(zhàn)斗”彼此。左邊的向上移動(dòng)20.20um，尖端的正確的變形具有相同的距離。根據(jù)懸臂梁的剛度，它可以認(rèn)為兩種懸臂之間的力是607.2nn。
國(guó)際測(cè)量師聯(lián)合會(huì)表明，多壁碳納米管回升到原子力顯微鏡的懸臂。在這個(gè)過(guò)程中，該部隊(duì)（主要是范德瓦爾斯軍隊(duì)）的原子力顯微鏡懸臂和樣品之間的be314.9nn。圖（a）和（b）顯示一個(gè)X結(jié)推拉上的多壁碳納米管的變形。
圖12（C）是一個(gè)多重曝光的照片，描繪了同樣的過(guò)程顯示圖（a）和（b）。從圖（C），在這個(gè)過(guò)程中發(fā)生的力的測(cè)量是54.6nn 。
6、結(jié)論
帶有兩個(gè)懸臂10-DOF 超微型機(jī)械人裝置操縱已經(jīng)建成，在掃描電子顯微鏡。通過(guò)調(diào)節(jié)施加的原子力顯微鏡的懸臂和樣品基體之間的電壓，對(duì)介電泳力對(duì)象有效控制。三維操作是在多壁碳納米管的介電泳力控制輔助實(shí)現(xiàn)，和力的測(cè)量進(jìn)行了。正在開發(fā)的機(jī)器人將為納米顆粒的性能研究與納米積木(如碳納米管納米級(jí)的裝置)建設(shè)的基本工具。力進(jìn)行測(cè)量和抗彎剛度和一個(gè) p30nmx7ktm多壁碳納米管的楊氏模量的估計(jì)分別8.641xl0-20nm2和2.17tpa。
致謝
我們感謝在三重大學(xué)教授齋藤為我們的研究多壁碳納米管樣品提供有益討論，并作感謝教授R. Saito在電氣通信大學(xué)提出對(duì)碳納米管的一本書的指導(dǎo)。
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