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2001屆IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化國際會(huì)議
于2001年五月韓國漢城舉行
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，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)線通過隔離真空饋通器通過掃描電鏡室壁連接。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)通過增加電壓（例如多達(dá)500）以提高介電泳力，或通過增加的粗糙度（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，描繪了同樣的過程顯示圖（a）和（b）。從圖（C），在這個(gè)過程中發(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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