基于AFM偏转信号的下压效应补偿及样品表面特性测量方法

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）作为微纳米研究中的重要工具,被广泛地应用于微纳米尺度上样品表面高度的测量.但是,AFM扫描时针尖对样品存在下压效应,即扫描得到的样品表面高度由于针尖施加的压力而小于其真实值.而至今为止,还没有一种快速、有效的补偿下压效应所带来的高度测量误差的方法.本文通过对AFM工作原理及其下压效应机理的详细分析,充分利用AFM偏转测量和高度测量的信息冗余性及互补性,提出了一种利用数据融合和参数辨识来自动补偿AFM下压效应的方法。首先,通过力曲线概念分析了下压效应的产生机理;然后,从力曲线出发,提出一种基于信息融合和参数辨识的AFM下压效应的补偿方法.值得指出的是,由于力曲线斜率是样品表面弹性特征的一种有效表示方式,本文算法在提高AFM高度测量精度的同时,还能够自动（在线）地获取样品的表面弹性特征,从而进一步扩展了AFM的应用。最后,通过扫描滴在硅基底上的多壁碳纳米管以及云母基底上的石墨烯进行了试验研究,以验证该方法的正确性和有效性。     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

尺度效应及几何光学模型用于尺度纠正

是“非同温黑体表面上普朗克定律的尺度效应”一文的续篇．一方面更详细地举例说明了尺度效应的一般性,并进一步将Ｐｌａｎｃｋ定律的尺度纠正推广到一般的非同温三维结构非黑体表面,对其热辐射在像元尺度上的方向性和波谱特征建立了概念模型．这一概念模型也是李．Ｓｔｒａｈｌｅｒ．Ｆｒｉｅｄｌ概念模型的进一步完善和逻辑发展,即用像元尺度上的统计参数,即组分温度的方差及其与材料发射率的协方差来纠正 Ｐｌａｎｃｋ定律,而不再要求使用亚像元尺度上的参数,实现了前文建议两个进一步工作中的第１个．     

基于煅耗散率最小的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体体-点导热构形优化

基于构形理论,以煨耗散率最小为优化目标,对环形高导热通道的三维圆柱形单元体和微、纳米尺度下矩形、三角形单元体“体一点”导热问题进行构形优化,得到无量纲当量热阻最小的“体一点”导热问题最优构形．结果表明：无量纲当量热阻最小和无量纲最大热阻最小目标下三维圆柱形构造体最优构形是不同的,这与对应的二维矩形构造体两种目标下最优构形比较结论不同,在微、纳米尺度下,存在尺寸效应影响时与无尺寸效应影响时的基于矩形和三角形单元体的构造体最优构形有明显区别;由于第二级构造体高导热材料通道中的热流不再服从线性分布,熄耗散率最小的和最大温差最小的第二级构造体最优构形是不同的．基于煅耗散率定义的当量热阻反映了构造体的平均散热性能,在三维条件和微、纳米尺度下研究熄耗散率最小的“体-点”导热构形问题进一步拓展了熄耗散极值原理的应用范围。     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

表面镀金微球电动旋转操控

表面为良导体微球的电动旋转研究是一项对无标记生物传感器开发等领域具有重要意义的新技术,未见相关报道.采用化学镀金方法,分别在直径为15和25μm的聚苯乙烯微球表面包裹一层厚度约50 nm的金膜,并将此表面镀金微球作为研究对象,进行电动旋转实验研究.实验结果表明,低频段（100 Hz~100 kHz）表面镀金聚苯乙烯微球作与电场反向的电动旋转运动,且相同条件下,对应最大旋转速度高于表面未修饰聚苯乙烯微球.以行波交流电渗及诱导电渗理论为基础,对表面镀金聚苯乙烯微球的电动旋转现象进行定性分析,并通过纳米荧光粒子实验表征镀金微球周围的流体流动现象,验证了定性分析的合理性.推导了行波交流电渗导致的表面镀金聚苯乙烯微球的电动旋转速度公式,并与实验结果进行对比分析,二者具有较好的一致性.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

圆柱形粗糙表面的弹塑性分形接触模型

基于分形理论建立了圆柱形粗糙表面力学模型,采用W-M函数模拟了与分形维数D,形貌尺度参数G有关的圆柱形粗糙表面的等效轮廓.推导了单个微凸体弹性、弹塑性以及塑性变形的存在条件,得到了圆柱形粗糙表面均分份数与微凸体尺度的变化关系.对传统的微凸体面积密度分布函数进行改进,获得各频率指数微凸体的面积密度分布函数,最终得到整个圆柱形粗糙表面的无量纲接触载荷与无量纲真实接触面积之间的关系.研究结果表明:粗糙表面中微凸体的临界接触面积是尺度相关的,微凸体的变形顺序为弹性变形、弹塑性变形和完全塑性变形.圆柱形粗糙表面的力学性能与微凸体的分布范围相关.当前6个频率指数的微凸体小于等于临界弹性频率指数,粗糙表面表现出近似的弹性性质,当前6个频率指数的微凸体处于临界弹性频率指数和临界塑性频率指数之间,粗糙表面表现出先弹性后弹塑性的性质.当前6个频率指数的微凸体大于临界塑性频率指数,粗糙表面呈现非弹性变形性质.     

化学纳米工程学——新交叉学科的基础与展望

机械加工以连续介质理论为基础,化学则侧重于对离散的化学键的操作,因而两者有本质的区别.但在纳米加工领域,机械学面临着化学键的不连续性.当前超精密加工的精度已经达到纳米尺度,由于纳米材料的特殊性质,微纳制造所依赖的基础理论也随着加工工件尺寸的缩小经历着由量变到质变的过程,因此,传统的机械学与化学在纳米尺度的交叉催生出新的学科--化学纳米工程学.该领域的基础研究将有助于我们提升纳米制造技术,增强国家制造业的核心竞争力.     

摩擦伏特效应

摩擦起电是一个普遍存在的现象,几乎发生在任何材料界面,其中半导体之间的摩擦起电具有独特的性质.当p型半导体在n型半导体表面摩擦时,两个材料界面在机械滑动的作用下发生化学键的断裂以及新化学键的生成,释放能量(简称键合子“bindington”)并激发半导体界面电子-空穴对.摩擦激发的电子-空穴对在p-n结处的内建电场作用下分离并产生直流电,这个过程与光伏效应类似,因此该现象被命名为摩擦伏特效应.摩擦伏特效应与光伏效应唯一的不同是摩擦伏特效应中电子-空穴对是由界面原子瞬时结合成键而释放的能量所激发,而光伏效应是由光所激发.本文回顾了近年来摩擦伏特效应研究的相关进展,总结了基于摩擦伏特效应的摩擦伏特发电机技术及其潜在应用.摩擦伏特效应作为半导体界面接触起电中重要的一环,对其研究不仅有助于深入了解接触起电的机理,还有望推动摩擦纳米发电机、半导体等研究领域的发展.