外文翻译--多壁碳纳米管的三维超微型机械人装置操作 中文版

2001届 IEEE机器人与自动化国际会议 于 2001年五月韩国汉城举行 多壁碳纳米管的三维超微型机械人装置操作 利辛东 *，秋篠宫文仁亲王新井 *，和福田敏男 * *名古屋大学微系统工程系 *名古屋大学中心合作研究在先进的科学与技术 日本名古屋 464-8603东区，呋喃首席人事官 dongrobo.mein.nagoya-u.ac.j p, araimein.nagoya-u.ac.j p, fukudamein.nagoya-u.ac.j p 摘要： 多壁碳纳米管（碳纳米管）是在三维空间中操纵一 10-DOF 超微型机械人装置操纵，这包括 压电换能器 ,促进驱动（新焦点 Inc.）和内部的扫描操作，电子显微镜（ SEM）。机械手的粗线的分辨率优于 30nm（ X， Y， Z 阶段驱动促进）和旋转一个 2毫弧度 ，而 光纤制造设备 运动的决议（驱动 PZT）是在纳米级的。原子力显微镜的悬臂作为末端执行器。操作的多壁碳纳米管的几种与介电电泳和范德瓦尔斯部队的协助下开发的机器人进行。估计尺寸 40nmx7plm单壁碳纳米管被 原子力显微镜 悬臂拾起。另一个 50nmx6pm 米碳管 之间放置两个悬臂，还有一个040nmx8u米碳管 的弯曲悬臂 和样品基质。碳纳米管（ CNTs）连接是基于碳纳米管更复杂的设备的基本构建块。交叉连接两个为 40nm 6um， 50nm 7 m 的维度，和一个丁字路口是由两个碳纳米管的 40nm 3um.force 测量尺寸进行抗弯刚度和一个 30nm 7 m 厚的多壁碳纳米管，它们杨氏模量的估值分别是 8.641 l0-20nm2和 2.17tpa。这样操作的两个性质研究的碳纳米管和碳纳米管为基础的 纳米电子机械系统 制造是必不可少的。 关键词：三维操纵，碳纳米管，碳纳米管， 纳米电子机械系统 悬臂，介电电泳，扫描电镜 1、介绍 饭岛爱后 1 观察和鉴定第一奈米碳管（ CNT）在富勒烯烟炱，许多研究工作已经完成对碳纳米管的理论和实验，它们研究表明他们有特殊的机械和电气性能。机械地说，碳纳米管作为最终的纤维，电子的量子线，和化学和生物探针和纳米容器。西都 2 和 3 首先预测滨田的碳纳米管的金属 /半导体性质。单壁碳纳米管（ SWNTs）的合成由饭岛爱的 AML桥 4 。个人多壁管（ MWNTs）分别测定由 西班牙的 6 埃布森 5 ， 西班牙的 8 L兰格 7 使用一个单独的碳纳米管原子力显微镜尖端的技术。帖 后 9 产生散、单分散的单壁碳纳米管 l.4-nm。晒黑 10 和巴克拉斯 11 在个别单壁碳纳米管和束中观察到单电子效应。最近有报道 12 ,装置如碳纳米管量子电阻和室温下的单壁碳纳米管晶体管，对其机械特性进行了研究 14 ，在这些研究中，利用原子力显微镜与一个优秀的虚拟现实界面的二维平面中的碳纳米管的一些操作报告 18 ，可知在拉伸载荷作用下的破坏机理和多壁碳纳米管的强度已经解决了三维操纵 16 的帮助。 纳米操纵，或位置控制在纳米尺度，是对分子纳米技术的第一步。随着纳米技术的 进步，需要操纵成为进入纳米尺度的物体。虽然原子力显微镜（原子力显微镜）是能够适当的小动作（埃的十分之一），但不能重复的位置。这也是目前有限的三个自由度，没有旋转的控制。作为扫描探针，它工作得很好；作为一个纳米技术的施工设备，它实际上是有限的到二维平面。 这是在三维空间中构建纳米结构与器件非常重要的操纵纳米对象。为了实现这样的操作，具有纳米级分辨率的机器人将是有用的工具。对于一个超微型机械人装置操纵三维操作的基本要求包括纳米尺度的位置分辨率，相对大的工作空间，足够的自由度的末端执行器的三维定位，并通常与复杂的 操作，多终端效应。一个关键的技术将如何设计末端执行器在微 /纳米级的世界 19 的物理现象？它是申请一个微型帆船实现纳米级物体的拾取和放置操作，而它已被证明。因为剪刀和物体之间的电磁相互作用引起大于重力引起的剪应不同 19 对象的离开。因此，它是一个更广阔的战略，是通过控制相互作用的工具和对象，而不是用夹持器之间实现纳米操作。基本实验报道 日 几种策略控制的相互作用已经提出 19-2l ，和一个遥控触摸系统也被提出 22 。 在下面，一个超微型机械人装置操纵在 2节首先介绍，然后对超微型机械人装 置操纵策略 3节中介绍的一些实验操作，并在 4节中的报道。在 5节中，力测量方法的介绍 2。超微型机械人装置操纵 开发了一套超微型机械人装置操纵。如下图所示，有 3个单位共 10自由度包括三自由度单元（ x-y-a 阶段，一个是沿 x轴旋转）放置样品基板，一个单自由度单元 2（ Z级）定位的原子力显微镜悬臂梁和六自由度压电驱动单元 3个悬臂梁的定位。样品基板，也可以放在 2或 3方便操作单元。单元 1单元 2具有线性冲程 6mm和旋转 360度。对于粗运动的线性分辨率为 30nm（ X， Y和 Z阶段）和旋转一个 2mrad。 3单元是用于补偿步进运动 单位 L和 2的压电驱动的，具有纳米级分辨率的六自由度。 在 X-Y台旋转毛发运动（新焦点 Inc.）由两个平移安装硅基板毛发运动驱动，这是用于放置被操纵的。在硅衬底，薄膜的铝涂层作为施加电场产生电极的介电泳力。另一个电极可以是有线或悬臂单位 2或 3。使悬臂尖端和硅板绝缘对方，聚酰亚胺薄膜粘贴在铝膜。原子力显微镜悬臂和样品之间的介电电泳的方法示于图（接线单元 3是类似的 Z级，因此未显示）。请注意，在单位 L样品基板的位置和悬臂梁 2交换单元。 六自由度 8驱动单元用来补偿单位 L和 2步进运动。为获得更大的工作空（ 26x22x35ltm3）和一个更高的分辨率，双指令驱动和闭环控制应用于此微刻手。致动器和传感器的叠加使 3 号机组变为 小巧的体积 ，容易放入 扫描电子显微镜 25 。 获得实时观测的机器人操作，全套安装在扫描电镜（ JEOL jsm-5300）和二次电子探测器，具有相对大的真空室。显微镜的分辨率被指定为在 30kV中 4nm，然而，实时视频的分辨率是两个或三个较低的一个因素。所有的导线通过隔离真空馈通器通过扫描电镜室壁连接。所有的机械部件和电缆从 扫描电子显微镜 观察区域得到了妥善的保护，减少图像失真的充电效果。 可以发 现，机器人满足所有的纳米操作的基本要求。它共有 10自由度和三个单位的双悬臂梁，工作空间 6x6x12mm3与 3600旋转，粗分辨率为 30nm和2mrad而细的纳米尺度。它是为里面的一个扫描电镜的真空室，所以对于操作的实时观测是实现和悬臂尖端和样品之间的力也可以用多次曝光技术测量。 3、超微型机械人装置操纵原理 处理微对象，由量子和电磁效应引起的相互作用不可忽视，这是不同于宏观世界。例如，在珠直径和在 扫描电子显微镜 真空无限板之间相互作用的主要是范德瓦尔斯力 22 。 另一方面，介电电泳力 格式化数据输入程 序 是一个客观珠半径 R函数，珠 8和电场 E0 的介电系数。 由于介电泳力是电场强度的梯度功能，很容易通过改变 AP 控制：使用电压。它也更容易实现比控制其他种类的粘附力。用于产生非均匀电场梯度，用锋利的针如 原子力显微镜 悬臂梁与板的两个电极，它是有效的。因此，可以拿起一个 物体 放置在板如图 2所示如果介电泳力大于范德瓦尔斯作用力的粒子。为了实现这样的操作，有两种方式可以有效地使用，其中一个减少范德瓦尔斯的部队在 19 和 20 描述。另一种方法是控制强度和电场梯度 场。 如图所示，一个放置在一个理想的板（粗糙度， B = 0，因此 B / Z = 0）在 扫描电子显微镜 中 不能拿起时产生的介电泳力电压为 100V（ 3区）。因为 格式化数据输入程序 前轮驱动 （在这种情况下，粘结力的其他种类被忽略，因为它们很大程度上不及范德瓦尔斯）。该操作可以实现通过增加电压（例如多达 500）以提高介电泳力，或通过增加的粗糙度（如 B / Z = 10甚至 100）的板以减少范德瓦 尔 斯 力 珠 。 4、操作实验 4. 1在多壁碳纳米管中拿起，放置，弯曲 与发达的超微型机械人装置操纵的，单个 碳纳米管 操作某些种类都试过了。我们的目标是构建碳纳米管的三维结构，同 时研究他们的机械和电子特性，在这里 我 们 显 示 了 一 些 初 步 分 析 结 果 。 图 4 显示一个单一的 M 通风孔 是拿起的 原子力显微镜 悬臂的 2 个单位，其中有一个大概的尺寸 q40nmx7y， M.图表明多壁碳纳米管之间放置两个悬臂，和6显示了多壁碳纳米管弯曲。这样的操作是必不可少的两个性质研究的碳纳米管和碳纳米管的制备和制造基于 计数器 的 纳米电子机械系统 。 4.2多壁碳纳米管路口建设 4.2一种接头的类型 最近一种接头的可能性对连接管的不同直径和手性产生了相当大的兴趣 30 ，这是因为该路口是纳米电子器件的构建块的可能性。 虽然连接是随机发现了碳纳米管样品，但这是找来制造这样的基本结构的技术意义。 CNT 连接施工难度取决于连接的类型。碳纳米管连接类型以碳纳米管的类型确定，碳纳米管的结构和连接方法： （ 1）种碳纳米管 1）金属单壁碳纳米管 2）半导体单壁碳纳米管 3）金属单壁碳纳米管 4）的多壁碳纳米管（金属） （ 2）配置 1） V或 j-接头 2）丁字路口 3） Y-路口 4） X-路口 5）更复杂的（例如， 3D）连接 （ 3）连接措施 1）范德瓦尔斯 2）电子束焊接 3）化学键 4）其它方法 4.2.2多壁碳纳米管的路口 （ 1） X结 一 个 X结（交叉路口）与 q40nmx6ym和维度（ P 50nm 7P）两个多壁碳纳米管的。如图所示，两个多壁碳纳米管负载的碳纳米管在样品基质和 原子力显微镜 悬臂原 材料 之间。虽然不能确定清楚如何两个多壁碳纳米管连接从 扫描电子显微镜 的局限性，它是合理的说他们的军队与范德瓦尔斯。我们在这里展示一个 X结和一个丁字路口的多壁碳纳米管的范德瓦尔斯部队的超微型机械人装置操纵节理。 （ 2）丁字路口 一个丁字路口是 q40nmx3pt 尺寸， M 和 p50nmx2ym 两个碳纳米管，如图所示。丁字路口举行的 原子力显微镜 悬臂。同样地，好像 两个多壁碳纳米管与范德瓦尔斯军队节理。 5、力的测量 悬臂和物体之间的力信息的重要是因为它对机械手的控制的必要性和对碳纳米管和碳纳米管结的特性研究，以及更复杂的碳纳米管结构。采用 扫描电子显微镜 图像和校准的原子力显微镜的悬臂与视频或多次曝光技术测量的力量。 5.1抗弯刚度的多壁碳纳米管 一个单一的碳纳米管的屈曲，我们试图通过测量受碳纳米管和碳纳米管和悬臂梁的变形力评估碳纳米管的刚度。图（ a）和（ b）显示两个连续的扫描电镜图像帧记录在弯曲过程中，（ c）和（ d）描述分析模型（ a）和（ b），分别和（ E）显示在多壁碳 纳米管的力量。根据欧拉公式和力的平衡关系，可以得到以下方程。 其中， W 和 W2是屈曲力受基体的碳纳米管， F是在图 9悬臂反应力的差异（ A）和（ B）， E / Z的杨氏模量，是面积的二次矩，和其他参数和它们的值在表 1 列出，在那里 Al， A2，嗨， H2 值， 8 和 D 测图（ a）和（ b）， k 是一个格温校准值。 扫描电子显微镜限制我们得到的碳纳米管的纳米管和详细的几何结构的直径的精确值，因此难以获得相对准确的杨氏模量值。但得到的杨氏模量的一个保守的估计，这是实心圆柱和 D = 30nm合理的假设。然后我们得到了 E = 2.17tpa。这是一点点比 14 中获得的平均值，在那里他们应用热振动的方法和得到的平均值 E = 1.8tp，但单个纳米管的数据范围从 0.4到 4.15tpa。通过多次曝光技术测量在式（ 5）的结果是合理的。 5.2力如图 10显示了这个力测量方法的原理 两个校准悬臂“战斗”彼此。左边的向上移动 20.20um，尖端的正确的变形具有相同的距离。根据悬臂梁的刚度，它可以认为两种悬臂之间的力是 607.2nn。 国际测量师联合会 表明， 多壁碳纳米管 回升到原子力显微镜的悬臂。在这个过程中，该部队（主要是范德 瓦尔斯军队）的原子力显微镜悬臂和样品之间的be314.9nn。图（ a）和（ b）显示一个 X结推拉上的多壁碳纳米管的变形。 图 12（ C）是一个多重曝光的照片，描绘了同样的过程显示图（ a）和（ b）。从图（ C），在这个过程中发生的力的测量是 54.6nn 。 6、结论 带有两个悬臂 10-DOF 超微型机械人装置操纵已经建成，在扫描电子显微镜。通过调节施加的原子力显微镜的悬臂和样品基体之间的电压，对 介电泳 力对象有效控制。三维操作是在多壁碳纳米管的介电泳力控制辅助实现，和力的测量进行了。正在开发的机器人将为纳米颗 粒的性能研究与纳米积木 (如碳纳米管纳米级的装置 )建设的基本工具。力进行测量和抗弯刚度和一个 p30nmx7ktm 多壁碳纳米管的杨氏模量的估计分别 8.641xl0-20nm2和 2.17tpa。 致谢 我们感谢在三重大学教授 斋藤 为 我们的研究多壁碳纳米管样品提供有益讨论，并作感谢教授 R. Saito在电气通信大学提出对碳纳米管的一本书的指导。 参考： 1 S. lijima, Helical Microtubules of Graphitic Carbon, Nature, V01.354, pp.56-58 (1991). 2 R. Saito, G. Dresselhaus and M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press (1998). 3 N. Hamada, S. I. Sawada and A. Oshiyama, New One-Dimensional Conductors: Graphitic Microtubules, Phys. Rev. Lett., V01.68, pp.1579 -1581(1991). 4 S. Iijima and T. Ichihashi, Single-Shell Carbon Nanotubes of l-nm Diameter, Nature, V01.363, pp.603-601(1993). 5 T. W. Ebbesen, H. J. Lezec, H. Hiura, J. W. Bennett, H. F. Ghaemi and T. Thio, Electrical Conductivity of Indiviclual Carbon Nanotubes, Nature, V01.382, pp.54 -56 (1996). 6H.J. Dai, E.W. Wong and C.M. Lieber, Probing Electrical Transport in Nanomaterials: Conductivity of individual Carbon Nanotubes, Science, V01.272, pp.523-526 (1996). 7 L. Langer, V. Bayot, E. Grivei, J.P. Issi, J.P. Heremans, C.H. Olk, L. Stockman, et al, Quantum Transport in A Multiwalled Carbon Nanotube, Phys. Rev. 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