电化学扫描探针显微术的特点及其发展趋势

电化学扫描探针显微术是将电化学研究系统和扫描探针显微技术（Scanning Probe microscopy:SPM)相结合而产生的一门新的研究技术,是对SPM技术的创新和应用领域的拓展。该技术的最大特点是可以在溶液环境下工作,实时、原位、三维空间观察、控制化学反应及过程,又可以对材料进行原子级加工等。本文将以SPM技术的重要分支－电化学扫描隧道显微技术（STM：Scanning tunneling microscopy)为主,简要介绍其工作原理,应用范围及发展趋势。     

面向AFM的纳米目标快速重定位方法

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）具有极高的观测分辨率和作业精度,在纳米材料表征与纳米器件组装方面发挥了不可替代的作用.AFM工作区域的选取依赖于光学显微镜,受可见光波波长的限制,光学显微镜的分辨率一般不超过200 nm,这导致光学显微镜无法有效辨识AFM观测目标样本所在的区域.当样本被移动或者更换AFM扫描探针引起样本与探针针尖的相对位置发生变化时,如何重新将AFM探针精确定位到原观测/操作区域具有非常大的挑战性.本文研究提出了一种新的免标记探针重定位方法,综合考虑了样本角度旋转与位置偏移两个因素,首先利用光学显微镜选取样本基底上易于识别的自然特征作为参照点,基于坐标变换原理实现微米级精度的探针盲定位,进而通过AFM扫描图像的匹配获得X-Y水平方向的位置偏差,通过修改AFM的扫描参数实现纳米目标的原位快速精确重定位.该方法的优点在于不需要在纳米目标样本操作区域上制作特殊的标记,操作过程简单、定位快速、定位范围较广且具有极高的重定位精度.对纳米小球、单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWCNTs）、纳米划痕等样本的重定位实验验证了该方法的实用性和高效性.     

亚微米PZT阵列制备及铁电性能研究

采用感光溶胶-凝胶法, 在ITO/石英基板上制备了具有紫外感光性的PZT前驱溶胶及凝胶薄膜. 利用薄膜自身的感光性, 采用He-Cd紫外激光双光束干涉和二次曝光工艺, 结合有机溶剂溶洗和600℃, 15 min热处理, 制备了点阵周期为1 μm, 阵列格点尺寸为480 nm×480 nm×40 nm的PZT薄膜阵列. 并将原子力显微镜(AFM)和铁电测试仪联用, 采用具有导电涂层的探针, 通过扫描获得铁电阵列的三维图像. 据此图像, 把探针定位于特定的微小格点上, 由铁电仪通过AFM探针提供电压, 并经探针将测试信号反馈给铁电仪, 以获得格点的电滞回线. 结果表明, 亚微米量级的PZT阵点随外电场的变化可以实现极化反转, 表现出明显的铁电特性.     

微结构对中碳马氏体钢纳米硬度分布的影响

利用纳米力学探针对传统的淬火-回火中碳马氏体钢的微观硬度分布进行了评价. 在1000 mN载荷下, 硬度的标准偏差与平均值之比为15.4%, 而在9.8 N下的维氏硬度该比值为1.5%. 结合电子背散射分析和扫描电子显微镜观察表明, 纳米硬度值的分散并非主要来源于马氏体板条的晶体取向, 而是由于在亚微米尺度上微结构(如渗碳体的分布)的不均匀造成的. 对具有不同取向的钨单晶(001), (101)和(111)的纳米力学探针测量表明, 晶体取向造成的纳米硬度值分散性很小. 对另一种具有相同化学成分但经过热轧变形导致渗碳体分布更加细小而均匀的马氏体钢的纳米力学探针测量表明, 其纳米硬度值分散性比传统的马氏体钢要小得多. 这两个结果都进一步佐证了上述结论.     

基于原子力显微镜的阳极氧化技术及其在碳纳米管氧化切割与焊接中的应用

探针阳极氧化是构建纳米结构,制造纳米器件的重要技术之一,本文对该技术中基于原子力显微镜（AFM）的阳极氧化进行了新的研究．通过对氧化加工中微观电场在基底表面分布情况进行模拟,分析了氧化结构的特征与电场分布的关系,通过实验研究分析了不同加工因素对氧化加工的影响．在这些研究基础上利用AFM阳极氧化技术实现了对碳纳米管（CNT）的氧化切割及焊接,为CNT基纳米器件的装配及制备提供了新的技术途径．     

单分子化学与物理

单分子科学的概念是在扫描探针显微镜、激光镊子和其他相关光谱法在纳米级或分子级研究中的应用中发展起来的。我们在此对近来单分子化学和物理的进展作一评论性的回顾，并主要介绍单分子化学和物理的概念以及单分子表面研究、单分子光谱检测、单原子和/蜮分子操纵、单分子荧光法、激光摄子、生物分子的力学研究，以及所谓单电子效应和单电子器件的进展情况。本文最后强调了单分子科学和技术的重要性。     

高焓流动中电子密度的静电探针测试技术研究

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温气体效应以及通讯中断问题的有效地面试验设备.本文在JF-10高焓激波风洞总焓16 MJ/kg、总温7900 K的高超声速试验气流状态下,采用能够获得足够空间分辨率且不影响流场结构的针状探针,发展了静电探针测试技术并对10°尖劈模型流场进行了电子密度测量.试验结果表明:研制的探针能够获得模型流场空间电子密度分布规律且具有较好的测量重复性;恒定偏压方法能够获得耦合流场参数的无量纲电子密度,而发展的新型高频扫描电路能有效降低扫描电路中的干扰噪音,提高测量的精度,获得定量电子密度值.     

辐射交联聚酯粒子制备绿色轮胎用湿法混炼共沉胶的研究

解决湿法混炼共沉胶的难加工问题对发展高性能绿色轮胎具有重要意义.本文提出"聚酯滚珠增塑橡胶"的概念,设计制备了辐射交联聚酯粒子(radiation-crosslinked polyester particles, REP),并研究了REP对湿法混炼共沉胶的加工性及硫化胶力学性能的影响.研究结果表明,在湿法混炼共沉胶加工过程中, REP的润滑作用能够帮助橡胶分子链解缠结,从而降低共沉胶门尼黏度,改善共沉胶的加工性,粒径为200 nm的REP能够使湿法混炼共沉胶的门尼黏度降低24%,加工耗能降低10%.此外, REP能够提高混炼胶硫化效率,改善硫化胶的力学性能.本文关于REP的增塑、增强橡胶作用机理的研究,对解决绿色轮胎制备过程中湿法混炼共沉胶的难加工问题和白炭黑的分散性问题具有重要的理论研究意义.     

电化学三维微沉积技术及其研究进展

电化学沉积加工技术是一种以原子量级逐层堆叠方式来进行金属基材料制备与零件制造的特种加工技术,具有适用材料广、实施温度低(一般70℃以下)、应用形式灵活、易于控性控形、不受尺寸限制等优点,在面向金属微增材制造方面颇具发展潜能.本文主要介绍了以电化学沉积工艺为主体来制造三维金属微结构与零件的代表性技术,包括掩膜电沉积、即膜沉积、electrochemical fabrication(EFAB)、局域生长电沉积、喷射电沉积、电化学打印、月牙形电解液约束三维电沉积成形、电化学扫描隧道显微镜技术等,着重阐释了它们的工艺原理、关键技术、优势与不足以及存在的主要问题和挑战,并对该技术领域未来的发展趋势和研究重点进行了展望.     

泥沙颗粒表面电荷分布的初步研究

泥沙颗粒表面电荷分布，是研究其与污染物之间吸附和解吸的基础．本文以石英砂颗粒为例，利用扫描探针显微镜（SPM）中的静电力显微镜（EFM）测量技术，用相位成像模式测量了石英砂颗粒表面的微形貌和电荷分布，并统计了两者间的关系．研究表明，石英砂颗粒表面形貌复杂，表面形貌对电荷分布影响较大，电荷大多集中在颗粒表面的鞍部、凸起和凹地部位，而在凹槽、凸脊和平坦部位分布较少．上述研究为揭示其吸附机理和进一步研究天然河流泥沙颗粒的相关性质奠定了基础．     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

塑性加工技术的科学化与中国塑性加工技术的发展

本文总结了塑性加工技术的发展现状,提出了材料塑性加工技术在新的世纪应该以现代科学技术为基础,实现由技术向科学的转变。塑性加工应以固体力学和材料物理为理论基础,宏观与微观相结合,实现理论基础的完善和飞跃。以计算力学和软件科学为工具实现塑性加工过程的虚拟化和可视化;以自动控制理论和计算机技术为工具实现工艺过程的自动化控制;采用新的能源、新的介质和加载方法开发瓣析塑性加工工艺;以汽车、电子电器和航空航天等工业为需求,研究新材料和新产品的塑性加工工艺。     

微生物细胞电镀磁性金属化研究

本文以钝顶螺旋藻细胞为模板,通过电镀工艺在其表面沉积磁性合金来制造螺旋形磁性微粒,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺进行研究.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、电子能谱、X射线衍射、振动样品磁强计等对电镀磁性化后螺旋藻的细胞形态、表层成分、相结构及静磁性能进行观察与分析.结果表明螺旋藻细胞经电镀处理后表面包覆上一层不含非金属相的铁磁性材料,实现了微生物细胞电镀磁性金属化,这为生物约束成形技术提供了新工艺.在金属化过程中,微生物形体保持良好,细胞表面镀层厚度均匀,镀层为面心立方结构的NiFe合金,颗粒具有软磁特性.此外,对微生物细胞电镀磁性金属化工艺过程的电化学反应机理进行了分析,表明NiFe合金在微生物表面的沉积为异常共沉积.     

高精度光学元件控时磨削方法研究

高精度、大口径光学元件的需求量与日俱增,传统铣磨-研抛-修形工艺路线因其较低的加工效率面临挑战.为提高光学元件制造效率,使其能快速达到最终修形工序的入口条件,本文将柔性砂带磨削工具引入光学确定性加工.通过研究光学元件控时磨削材料去除机理,提出一种新的材料去除方法,通过控制关键加工参数,成功获得了高效可控的去除函数.根据理论分析搭建了光学元件控时磨削样机,在一块200 mm×200 mm的平面微晶玻璃上进行控时磨削实验.结果表明面形误差由2.31μm PV、0.38μm RMS收敛至1.76μm PV、0.27μm RMS,过程用时仅53 min,效率为同尺寸磁流变抛光轮的10倍以上.控时磨削在修形同时可将微晶玻璃的毛面迅速抛亮,满足波面干涉测量要求.结果验证了光学元件高效控时磨削方法误差收敛的可行性,有望大幅缩短最终修形工艺前的研磨抛光加工周期.     

气动膜片式多材料微液滴按需喷射技术研究

微滴喷射是通过产生微米级的液滴实现微量流体精确分配的技术之一,是一种不同于传统减法制造的非接触式、数据驱动的加法式制造技术,代表了现代制造工艺新的发展方向.本文提出了可用于多种材料的气动膜片式按需喷射技术并构建了用于在线观测并分析液滴形成过程的基于延时触发的图像在线采集系统.利用该装置,进行了微液滴喷射的一致性分析,研究了设备结构参数及控制参数与液滴大小及喷射速度的关系,并分析了粘度及表面张力对流体喷射过程的影响.此外,制作了直径约为160.5μm的Sn63Pb37焊球和与基底接触面直径约为346.94μm的光固化胶胶滴阵列图型.实验表明,该气动膜片式按需喷射系统结构简单、可靠性好、耐受高温,可用于包括聚合物、低熔点胶材、高熔点金属的多材料微液滴喷射,在微电子和微系统封装、三维打印、有机半导体器件制作以及生命科学与化学分析等制造领域具有较大的发展潜力.     

固体-固体摩擦起电中电子转移研究进展

摩擦起电是指两个材料接触或摩擦后,电荷从一个材料表面转移到另一个材料表面的现象,距其被发现至今已有2600年的历史.然而,摩擦起电的机理却长期处于争论之中,其争论的核心是摩擦起电的载流子类型是电子、离子还是材料碎屑.最近,相关研究以摩擦纳米发电机和开尔文探针力扫描显微镜为手段,探索了固体-固体界面电荷转移的基本原理.研究结果表明,电子是固-固界面摩擦起电的主要载流子,发生电子转移的条件是两个原子的电子云发生重叠.本文主要阐述电子作为转移电荷主要载体的实验依据,对新提出的摩擦起电物理模型进行了解读.     

纳米级电子束光刻技术及ICP深刻蚀工艺技术的研究

对100kV高压电子束光刻系统的曝光工艺进行了系统研究,针对正性电子束抗蚀剂ZEP520A进行了工艺参数的优化,在具有合理厚度、可供后续加工的光刻胶上获得了占空比为1：1,线宽为50nm的光栅图形.针对ICP刻蚀工艺进行了深入研究,探讨了刻蚀腔体气压、电极功率、气体流量等工艺参数对刻蚀效果的影响,最终在硅基底上获得了线宽为100nm,占空比为1：1,深度为900nm的光栅图形,光栅的边壁波纹起伏小于5nm.100nm以下深硅刻蚀技术的发展,有利于工作区域在可见光范围的纳米光学器件的制备.     

磨削加工球齿轮数学模型建立与齿面接触特性分析

采用盘形砂轮范成法磨削加工球齿轮,由盘形砂轮数学模型得到球齿轮的数学模型,进而得到一对球齿轮的啮合模型,并对其进行了齿面接触分析,通过解非线性方程组,求解出两齿面瞬时接触点的位置.对球齿轮齿面的接触点轨迹进行了分析研究:球齿轮上每个齿的齿形都不相同,因此两球齿轮在空间啮合的接触轨迹是很复杂和多样的.结果对进一步研究球齿轮机构的传动理论和实际应用具有一定的指导意义.     

非导电工程陶瓷高能量电容单脉冲放电高效加工试验研究

针对传统加工方法在加工非导电工程陶瓷时存在加工效率低、成本高以及加工表面质量差等缺点，本文提出了非导电工程陶瓷高能量电容高效电火花加工新方法，并进行了单脉冲放电试验研究，结果表明，该方法采用高电压大电容以及较高的放电能量，能够较大地提高材料去除效率，单次脉冲放电陶瓷去除量可达17．63mm3．对加工极性、峰值电压、电容、限流电阻、工具电极进给方式、工具电极截面积以及辅助电极厚度等参数对陶瓷蚀除坑体积、工具电极损耗以及辅助电极损耗等性能的影响进行了试验研究与理论分析，得到了相应的规律关系．采用扫描电子显微镜对单脉冲放电坑的微观形貌进行了观测．结果表明：放电坑表面呈溅射状，陶瓷主要以剥落方式去除，放电通道中心区域部分材料以熔化蒸发方式去除，且材料去除效果随着加工参数的增大而增强．     

基于原子力显微镜的四氢呋喃水合物微观力学测试

微纳尺度下的水合物力学特性对厘清外荷载下孔隙中水合物与沉积物骨架相互作用机制以及揭示含水合物沉积物宏观力学行为机理具有重要意义.本文使用改装的低温原子力显微镜和直径5μm的二氧化硅(SiO2)微球胶体探针对四氢呋喃(THF)水合物进行了测试.在温度-30℃～-10℃和探针驱动速率0.5～20.0μm/s条件下,获得了微球压入THF水合物样品的深度、接触时间与接触力之间的关系以及微球与THF水合物样品间的黏附力.结果显示:压入过程中THF水合物产生了塑性变形,压入诱发的水合物相变可能进一步增强了塑性行为.在相同接触力作用下压入速率越小或温度越高, THF水合物的硬度越小且塑性行为越明显. THF水合物的屈服应力存在阈值(或者临界效应),这可能是导致含水合物沉积物应变硬化和应变软化现象的重要原因之一.基于修改后的幂率流变(PLR)黏弹性模型,低驱动速率和相对高温条件下THF水合物的黏弹性更显著. THF水合物表面的似液层和分解液在样品与微球间形成的液桥是两者间产生黏附力的主要原因,在温度-30℃～-10℃范围内黏附力约1.1～2.5μN,它主要与脱离前两者间的接触面积有关.