微納米
關(guān)注創(chuàng)建者：飛天豬主 創(chuàng)建時間：2018-11-05
微納米的實例教程
受自然界的啟發(fā)，近年來科學(xué)家發(fā)展了多種能夠趨光運(yùn)動的游動微納米機(jī)器人，然而，實現(xiàn)像微生物一樣同時具有趨光和避光的行為依然極具挑戰(zhàn)。
近日，蘇州大學(xué)董彬教授課題組聯(lián)合中科院物理所楊明成教授課題組和華南師范大學(xué)董任峰教授合作報道了一種基于氮化碳（C3N4）/聚吡咯納米顆粒（PPyNP）的游動微納米機(jī)器人。在光照下，其行為類似于綠藻，其能夠感知光強(qiáng)變化，在低光強(qiáng)下趨光運(yùn)動，在強(qiáng)光下避光運(yùn)動。這種仿生性的運(yùn)動行為主要是由于同時集成到游動微納米機(jī)器人中的兩種協(xié)同競爭機(jī)制（自擴(kuò)散泳和自熱泳）所引起的。更為有趣的是，通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)，這兩種機(jī)制之間的協(xié)同競爭可以實現(xiàn)游動微納米機(jī)器人集群在均勻光照下的群體雙向趨避光運(yùn)動以及在非均勻光場下的群體渦旋運(yùn)動行為。這一研究成果為設(shè)計具有復(fù)雜運(yùn)動行為的游動微納米機(jī)器人提供了新思路，也為光驅(qū)動微納米機(jī)器人的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖1.（A-D）C3N4/PPyNP游動微納米機(jī)器人在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，中等強(qiáng)度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運(yùn)動和較強(qiáng)平行光下（1.2 W/cm2）避光的示意圖和軌跡圖。(G-H) C3N4/PPyNP游動微納米機(jī)器人在動態(tài)調(diào)整光強(qiáng)下（0.4 W/cm2-1.2 W/cm2）往復(fù)運(yùn)動示意圖和軌跡圖像（入射光角度為30°）。
圖2 （a-f）C3N4/PPyNP游動微納米機(jī)器人集群在較弱平行光下（0.4 W/cm2）趨光，較強(qiáng)平行光下（1.2 W/cm2）避光和中等強(qiáng)度平行光下（0.8 W/cm2）做類似布朗運(yùn)動的示意圖和軌跡圖（入射光角度為30°）。
展開 微納米尺度的3D打印機(jī)有沒有見過？它可以輕松打印出超小尺寸、超高精度的3D模型，尺寸比人的頭發(fā)絲還細(xì)，模型小到人肉眼都無法分辨。
△微納3D打印的螺旋結(jié)構(gòu)，比頭發(fā)絲還細(xì)
2018年8月3日，瑞士 Cytosurge AG 公司所開發(fā)的微納米3D打印機(jī)「FluidFM μ3Dprinter」將引入中國市場。該款3D打印機(jī)可打印出納米和微米等級的 3D 金屬和聚合物結(jié)構(gòu)。
其技術(shù)源自于原子力顯微鏡(AFM)，通過精準(zhǔn)控制的平臺(XY 軸控制精度±250nm；Z 軸控制精度<5nm)并結(jié)合可輸送納米等級材料的封閉微型通道 (iontip) 來制作成型 3D 或 2.5D 結(jié)構(gòu)，藉由不同的 iontip 方案模塊噴頭，將能應(yīng)用于生物物理學(xué)、生命科學(xué)與微機(jī)電、半導(dǎo)體等3D 打印領(lǐng)域的研發(fā)驗證，協(xié)助提供微結(jié)構(gòu)研究的解決方案．可望引領(lǐng)國內(nèi)半導(dǎo)體及醫(yī)藥生物技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用邁向新的一頁。
△FluidFM μ3Dprinter用于納米光刻、崎嶇表面打印、納米和微米等級的3D金屬和聚合物結(jié)構(gòu)打印。
FluidFM 技術(shù)結(jié)合微流體及原子力顯微鏡的優(yōu)勢壓力感測，離子探頭內(nèi)顯微通道可供微量液體流通。
微流體與原子力顯微鏡的獨特組合可創(chuàng)造出形體更復(fù)雜、純度更高的金屬物體。光學(xué)原子力反饋機(jī)構(gòu)可進(jìn)行即時的過程控制。FluidFM離子探頭注射口的最小口徑可小于人類頭發(fā)直徑1/500。在這個注射口徑尺寸下，最低流速可達(dá)每秒數(shù)飛升，是目前最先進(jìn)流量探測器的探測限值1/1,000,000。FluidFM技術(shù)使微納米級復(fù)雜金屬物體的制造成為可能。
展開 在現(xiàn)代科技發(fā)展的今天，微納米表面輪廓形貌測量已成為許多領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。微納米表面輪廓形貌的測量可以幫助我們了解材料的物理特性、表面形態(tài)以及質(zhì)量狀況。那么，有哪些微納米表面輪廓形貌測量儀器？
1、白光干涉儀
白光干涉儀是一種常見的微納米表面輪廓儀測量儀器，常用于研究產(chǎn)品的微觀形貌和粗糙度。它利用光的波長差異產(chǎn)生干涉條紋，通過計算條紋的變化情況來確定物體表面的輪廓。
針對完成樣品超光滑凹面弧形掃描所需同時滿足的高精度、大掃描范圍的需求，W1白光干涉儀復(fù)合型EPSI重建算法，解決了傳統(tǒng)相移法PSI掃描范圍小、垂直法VSI精度低的雙重缺點。在自動拼接模塊下，只需要確定起點和終點，即可自動掃描，重建其超光滑的表面區(qū)域，不見一絲重疊縫隙。
白光干涉儀具有測量范圍寬、測量快速、精度高等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但主要還是用于產(chǎn)品微觀形貌測量，特別是從光滑到粗糙等各種精細(xì)器件表面的測量，精度一般是亞納米級別。
2、共聚焦顯微鏡
共聚焦顯微鏡以針孔共聚焦技術(shù)為原理，對大傾角的產(chǎn)品有更好的成像效果。廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造及封裝工藝檢測。大傾角超清納米測量，在滿足精度的情況下使用場景更具有兼容性。
微納米表面輪廓形貌測量儀器的選擇取決于所需分辨率、材料類型、實驗條件等因素。選擇適合的測量儀器對于準(zhǔn)確獲取樣品表面形貌和特征至關(guān)重要，有助于推進(jìn)科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。
我們應(yīng)該怎樣使用？
微納米表面輪廓儀的使用技巧：
1.
展開 江南大學(xué)青年教師李文兵與哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊在《Small》期刊上發(fā)表了題為Application and development of shape memory micro/nano patterns的綜述文章，該綜述系統(tǒng)性地介紹了形狀記憶微/納米圖案的類別，對形狀記憶微/納米圖案的制備方法進(jìn)行了總結(jié)，并對其在各個領(lǐng)域的潛在應(yīng)用進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后提出了形狀記憶微/納米圖案的不足以及未來的發(fā)展方向。
圖1 形狀記憶微/納米圖案的分類、應(yīng)用和驅(qū)動方法的總結(jié)
形狀記憶微/納米圖案可以大致分為四種類型：微溝槽、微孔、微柱陣列、表面微褶皺等。圖2、3、4、5分別是不同的微/納米圖案分類。
微溝槽是微/納米圖案中的一種重要圖案，在SMP膜表面形成微溝槽排列，在受到外界刺激情況下產(chǎn)生微觀形變，目前來說在微圖案上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)可以探究表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于細(xì)胞的影響作用，表面微/納米圖案的變化可以誘導(dǎo)細(xì)胞分化、改變黏附方向等，因此微圖案結(jié)構(gòu)可用于細(xì)胞研究。其中微溝槽由于其較大的接觸面積，以及在動態(tài)變化過程中較大的形貌變化，有利于探究細(xì)胞在微圖案表面的變化，例如細(xì)胞與微形貌間的相互作用、細(xì)胞的運(yùn)動性等。此外，利用微溝槽的變化也可以用于探究其他物理性質(zhì)變化，如潤濕性、光學(xué)性質(zhì)等。
展開 哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室的賀強(qiáng)教授團(tuán)隊研制成功世界首例雙引擎人造微納米機(jī)器，有望在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測及微納米組裝和制造等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
研究成果以“雙氣泡驅(qū)動的皮艇”為題發(fā)表在國際著名期刊《美國化學(xué)會志》上，并被選為當(dāng)期雜志的封面。論文第一作者為化工與化學(xué)學(xué)院的吳英杰副教授。
化學(xué)驅(qū)動微納米機(jī)器是能夠?qū)⒅車h(huán)境中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為自身機(jī)械運(yùn)動的微納米系統(tǒng)，是當(dāng)前涉及材料、機(jī)器人、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的交叉科學(xué)研究熱點。賀強(qiáng)教授研究組前期在國際上較早地運(yùn)用可控化學(xué)組裝的方法制備了單氣泡推進(jìn)的陰陽型膠囊馬達(dá)和管狀納米馬達(dá)（即“納米火箭”）。然而，如何模擬自然界中普遍存在的雙引擎動力模式(如企鵝在水中游動等)，人工合成雙引擎驅(qū)動的微納米機(jī)器以應(yīng)對未來應(yīng)用中的復(fù)雜環(huán)境仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。
該研究團(tuán)隊通過化學(xué)水熱合成法制備了類似啞鈴狀的中空二氧化錳膠體粒子,可以催化分解過氧化氫燃料并在粒子腰部產(chǎn)生一對氧氣泡，從而在低雷諾數(shù)下進(jìn)行自驅(qū)動運(yùn)動。因為這一運(yùn)動方式類似于單槳雙葉的單人皮艇，因此被形象地稱為“膠體皮艇”。
由于其啞鈴狀的特殊結(jié)構(gòu)，雙氣泡生長和釋放產(chǎn)生的反作用力對“膠體皮艇”的切向軸(長軸)和徑向軸（短軸）均有凈力的產(chǎn)生，前者為其運(yùn)動提供驅(qū)動力，而后者影響其運(yùn)動方向。此外，通過對雙氣泡的同步或非同步生長和頻率變化的統(tǒng)計分析以及氣泡生長和釋放過程中周圍流體場變化的模擬，該項研究建立了基于氣泡生長動力學(xué)和微粒子運(yùn)動方程的物理模型，闡明了其運(yùn)動機(jī)理。
研究表明雙氣泡驅(qū)動比單氣泡驅(qū)動模式具有更高的機(jī)動性。這一成果對探索雙引擎微納米機(jī)器的設(shè)計方法以及開展適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用研究具有重要意義。
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微納米的最新內(nèi)容
摘要
Field Inside Component Analyzer: FMM使用戶能夠分析電磁場在微納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的分布。為此，任意周期結(jié)構(gòu)(包括透射和反射、介質(zhì)或金屬光柵)內(nèi)的場通過應(yīng)用傅里葉模態(tài)方法/嚴(yán)格耦合波分析法(FMM/RCWA)來計算。還可以指定場的哪一部分應(yīng)該可視化:前向傳播的場、后向傳播的場或兩者都要可視化。
我們將焦點放在了元件內(nèi)部場分析儀：FMM上，這是一種允許用戶可視化和研究微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部場分布的工具。分析器現(xiàn)在還可以分析2D周期性結(jié)構(gòu)。
元件內(nèi)部場分析儀：FMM
這個例子演示了如何計算1D或2D周期性微米或納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場分布。
摘要
元件內(nèi)部場分析器：FMM允許用戶可視化和研究微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場分布。為此，使用傅立葉模態(tài)法/嚴(yán)格耦合波分析（FMM/RCWA）計算周期性結(jié)構(gòu)（透射或反射、電介質(zhì)或金屬）內(nèi)部的場。還可以指定場的哪一部分應(yīng)該可視化：正向模式、反向模式或兩者同時顯示。
但當(dāng)我們把目光投向微納米尺度（MEMS傳感器、微納電子器件）或應(yīng)變集中問題時，奇怪的事情發(fā)生了：
微懸臂梁：厚度從8μm減到2μm，測得的彈性模量從115 GPa飆升到175 GPa（變硬了50%）帶小孔的板：孔徑從5mm減到0.4mm，應(yīng)變集中系數(shù)從3.0降到1.2（按理說應(yīng)該不變）微壓痕測試：壓得越淺，算出來的"彈性模量"越大（著名的壓痕尺寸效應(yīng)）
經(jīng)典理論完全無法解釋這些現(xiàn)象
我們將焦點放在了元件內(nèi)部場分析儀：FMM上，這是一種允許用戶可視化和研究微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部場分布的工具。分析器現(xiàn)在還可以分析2D周期性結(jié)構(gòu)。
元件內(nèi)部場分析器：FMM允許用戶可視化和研究微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁場分布。為此，使用傅立葉模態(tài)法/嚴(yán)格耦合波分析（FMM/RCWA）計算周期性結(jié)構(gòu)（透射或反射、電介質(zhì)或金屬）內(nèi)部的場。還可以指定場的哪一部分應(yīng)該可視化：正向模式、反向模式或兩者同時顯示。
半導(dǎo)體與微電子制造：納米級精度不容絲毫偏差
半導(dǎo)體制造工藝極其復(fù)雜，涉及數(shù)百道工序，其中大量使用高純度特種氣體（如硅烷、氨氣、氟化物等），在化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）或刻蝕等關(guān)鍵步驟中，氣體流量的微小波動都可能導(dǎo)致晶圓缺陷，直接影響芯片良率，因此該行業(yè)對質(zhì)量流量計的長期穩(wěn)定性、零點漂移控制及抗污染能力要求極高。
設(shè)計任務(wù)
仿真與設(shè)置：單平臺互操作性
連接建模技術(shù)：超構(gòu)透鏡
? 超構(gòu)透鏡(柱結(jié)構(gòu)分析)
? 傳播到焦點
? 探測器
周期性微納米結(jié)構(gòu)可用的建模技術(shù)：
作為一種嚴(yán)格的特征模態(tài)求解器，傅里葉模態(tài)法(也稱為嚴(yán)格耦合波分析，RCWA)提供了非常高的精度。雖然計算可能需要一段時間，但對于像這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，高精度是絕對必要的。
通過先進(jìn)微/納米制造技術(shù)已實現(xiàn)集成調(diào)制器，例如基于硅的MZM可提供高集成密度且兼容成熟CMOS工藝，而基于III-V族材料的MZM雖因高載流子遷移率支持寬電光帶寬，卻存在溫度敏感性高的問題。
★戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)：
微納米技術(shù)與器件、核電儀控技術(shù)與設(shè)備、國防高科技民品化技術(shù)設(shè)備。
