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2001屆IEEE機器人與自動化國際會議
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*
*名古屋大學微系統(tǒng)工程系
**名古屋大學××中心合作研究在先進的科學與技術
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 超微型機械人裝置操縱，這包括壓電換能器,促進驅動（新焦點Inc.）和內部的掃描操作，電子顯微鏡（SEM）。機械手的粗線的分辨率優(yōu)于30nm（X，Y，Z階段驅動促進）和旋轉一個2毫弧度，而光纖制造設備運動的決議（驅動PZT）是在納米級的。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的協助下開發(fā)的機器人進行。估計尺寸Φ40nmx7plm單壁碳納米管被原子力顯微鏡懸臂拾起。另一個50nmx6pm 米碳管之間放置兩個懸臂，還有一個040nmx8u米碳管的彎曲懸臂和樣品基質。碳納米管（CNTs）連接是基于碳納米管更復雜的設備的基本構建塊。交叉連接兩個為~Φ40nm×6um，~Φ50nm×7μm的維度，和一個丁字路口是由兩個碳納米管的~Φ40nm×3um.force測量尺寸進行抗彎剛度和一個~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。這樣操作的兩個性質研究的碳納米管和碳納米管為基礎的納米電子機械系統(tǒng)制造是必不可少的。
關鍵詞：三維操縱，碳納米管，碳納米管，納米電子機械系統(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，許多研究工作已經完成對碳納米管的理論和實驗，它們研究表明他們有特殊的機械和電氣性能。機械地說，碳納米管作為最終的纖維，電子的量子線，和化學和生物探針和納米容器。西都[ 2 ]和[ 3 ]首先預測濱田的碳納米管的金屬/半導體性質。單壁碳納米管（SWNTs）的合成由飯島愛的AML橋[ 4 ]。個人多壁管（MWNTs）分別測定由西班牙的[ 6 ]埃布森 [ 5 ]，西班牙的[ 8 ]L蘭格[ 7 ] 使用一個單獨的碳納米管原子力顯微鏡尖端的技術。帖后[ 9 ]產生散、單分散的單壁碳納米管l.4-nm。曬黑[ 10 ]和巴克拉斯[ 11 ]在個別單壁碳納米管和束中觀察到單電子效應。最近有報道[ 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，對其機械特性進行了研究[ 14 ]，在這些研究中，利用原子力顯微鏡與一個優(yōu)秀的虛擬現實界面的二維平面中的碳納米管的一些操作報告[ 18 ]，可知在拉伸載荷作用下的破壞機理和多壁碳納米管的強度已經解決了三維操縱[ 16 ]的幫助。
納米操縱，或位置控制在納米尺度，是對分子納米技術的第一步。隨著納米技術的進步，需要操縱成為進入納米尺度的物體。雖然原子力顯微鏡（原子力顯微鏡）是能夠適當的小動作（埃的十分之一），但不能重復的位置。這也是目前有限的三個自由度，沒有旋轉的控制。作為掃描探針，它工作得很好；作為一個納米技術的施工設備，它實際上是有限的到二維平面。
這是在三維空間中構建納米結構與器件非常重要的操縱納米對象。為了實現這樣的操作，具有納米級分辨率的機器人將是有用的工具。對于一個超微型機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，并通常與復雜的操作，多終端效應。一個關鍵的技術將如何設計末端執(zhí)行器在微/納米級的世界[ 19 ]的物理現象？它是申請一個微型帆船實現納米級物體的拾取和放置操作，而它已被證明。因為剪刀和物體之間的電磁相互作用引起大于重力引起的剪應不同[ 19 ]對象的離開。因此，它是一個更廣闊的戰(zhàn)略，是通過控制相互作用的工具和對象，而不是用夾持器之間實現納米操作?；緦嶒瀳蟮繹日]幾種策略控制的相互作用已經提出[ 19-2l ]，和一個遙控觸摸系統(tǒng)也被提出[ 22 ]。
在下面，一個超微型機械人裝置操縱在2節(jié)首先介紹，然后對超微型機械人裝置操縱策略3節(jié)中介紹的一些實驗操作，并在4節(jié)中的報道。在5節(jié)中，力測量方法的介紹
2。超微型機械人裝置操縱
開發(fā)了一套超微型機械人裝置操縱。如下圖所示，有3個單位共10自由度包括三自由度單元（x-y-a階段，一個是沿x軸旋轉）放置樣品基板，一個單自由度單元2（Z級）定位的原子力顯微鏡懸臂梁和六自由度壓電驅動單元3個懸臂梁的定位。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360度。對于粗運動的線性分辨率為30nm（X，Y和Z階段）和旋轉一個2mrad。3單元是用于補償步進運動單位L和2的壓電驅動的，具有納米級分辨率的六自由度。
在X-Y臺旋轉毛發(fā)運動（新焦點Inc.）由兩個平移安裝硅基板毛發(fā)運動驅動，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產生電極的介電泳力。另一個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，因此未顯示）。請注意，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驅動單元用來補償單位L和2步進運動。為獲得更大的工作空（26x22x35ltm3）和一個更高的分辨率，雙指令驅動和閉環(huán)控制應用于此微刻手。致動器和傳感器的疊加使3號機組變?yōu)樾∏傻捏w積，容易放入掃描電子顯微鏡 [ 25 ]。
獲得實時觀測的機器人操作，全套安裝在掃描電鏡（JEOL jsm-5300）和二次電子探測器，具有相對大的真空室。顯微鏡的分辨率被指定為在30kV中4nm，然而，實時視頻的分辨率是兩個或三個較低的一個因素。所有的導線通過隔離真空饋通器通過掃描電鏡室壁連接。所有的機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，減少圖像失真的充電效果。
可以發(fā)現，機器人滿足所有的納米操作的基本要求。它共有10自由度和三個單位的雙懸臂梁，工作空間6x6x12mm3與3600旋轉，粗分辨率為30nm和2mrad而細的納米尺度。它是為里面的一個掃描電鏡的真空室，所以對于操作的實時觀測是實現和懸臂尖端和樣品之間的力也可以用多次曝光技術測量。
3、超微型機械人裝置操縱原理
處理微對象，由量子和電磁效應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據輸入程序是一個客觀珠半徑R函數，珠8和電場E0的介電系數。
由于介電泳力是電場強度的梯度功能，很容易通過改變AP控制：使用電壓。它也更容易實現比控制其他種類的粘附力。用于產生非均勻電場梯度，用鋒利的針如原子力顯微鏡懸臂梁與板的兩個電極，它是有效的。因此，可以拿起一個物體放置在板如圖2所示如果介電泳力大于范德瓦爾斯作用力的粒子。為了實現這樣的操作，有兩種方式可以有效地使用，其中一個減少范德瓦爾斯的部隊在[ 19 ]和[ 20 ]描述。另一種方法是控制強度和電場梯度
場。
如圖所示，一個放置在一個理想的板（粗糙度，B = 0，因此B / Z = 0）在掃描電子顯微鏡中不能拿起時產生的介電泳力電壓為100V（3區(qū)）。因為格式化數據輸入程序＜前輪驅動（在這種情況下，粘結力的其他種類被忽略，因為它們很大程度上不及范德瓦爾斯）。該操作可以實現通過增加電壓（例如多達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、操作實驗
4. 1在多壁碳納米管中拿起，放置，彎曲
與發(fā)達的超微型機械人裝置操縱的，單個碳納米管操作某些種類都試過了。我們的目標是構建碳納米管的三維結構，同時研究他們的機械和電子特性，在這里我們顯示了一些初步分析結果。
圖4顯示一個單一的M通風孔是拿起的原子力顯微鏡懸臂的2個單位，其中有一個大概的尺寸q40nmx7y，M.圖表明多壁碳納米管之間放置兩個懸臂，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性質研究的碳納米管和碳納米管的制備和制造基于計數器的納米電子機械系統(tǒng)。
4.2多壁碳納米管路口建設
4.2一種接頭的類型
最近一種接頭的可能性對連接管的不同直徑和手性產生了相當大的興趣 [ 30 ]，這是因為該路口是納米電子器件的構建塊的可能性。雖然連接是隨機發(fā)現了碳納米管樣品，但這是找來制造這樣的基本結構的技術意義。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，碳納米管的結構和連接方法：
（1）種碳納米管
1）金屬單壁碳納米管
2）半導體單壁碳納米管
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）化學鍵
4）其它方法
4.2.2多壁碳納米管的路口
（1）X結
一個X結（交叉路口）與q40nmx6ym和維度（P 50nm×7P）兩個多壁碳納米管的。如圖所示，兩個多壁碳納米管負載的碳納米管在樣品基質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與范德瓦爾斯。我們在這里展示一個X結和一個丁字路口的多壁碳納米管的范德瓦爾斯部隊的超微型機械人裝置操縱節(jié)理。
（2）丁字路口
一個丁字路口是q40nmx3pt尺寸，M和p50nmx2ym兩個碳納米管，如圖所示。丁字路口舉行的原子力顯微鏡懸臂。同樣地，好像兩個多壁碳納米管與范德瓦爾斯軍隊節(jié)理。
5、力的測量
懸臂和物體之間的力信息的重要是因為它對機械手的控制的必要性和對碳納米管和碳納米管結的特性研究，以及更復雜的碳納米管結構。采用掃描電子顯微鏡圖像和校準的原子力顯微鏡的懸臂與視頻或多次曝光技術測量的力量。
5.1抗彎剛度的多壁碳納米管
一個單一的碳納米管的屈曲，我們試圖通過測量受碳納米管和碳納米管和懸臂梁的變形力評估碳納米管的剛度。圖（a）和（b）顯示兩個連續(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。根據歐拉公式和力的平衡關系，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是在圖9懸臂反應力的差異（A）和（B），E / Z的楊氏模量，是面積的二次矩，和其他參數和它們的值在表1列出，在那里Al，A2，嗨，H2值，8和D測圖（a）和（b），k是一個格溫校準值。
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的幾何結構的直徑的精確值，因此難以獲得相對準確的楊氏模量值。但得到的楊氏模量的一個保守的估計，這是實心圓柱和D = 30nm合理的假設。然后我們得到了E = 2.17tpa。這是一點點比[ 14 ]中獲得的平均值，在那里他們應用熱振動的方法和得到的平均值E = 1.8tp，但單個納米管的數據范圍從0.4到4.15tpa。通過多次曝光技術測量在式（5）的結果是合理的。
5.2力如圖10顯示了這個力測量方法的原理
兩個校準懸臂“戰(zhàn)斗”彼此。左邊的向上移動20.20um，尖端的正確的變形具有相同的距離。根據懸臂梁的剛度，它可以認為兩種懸臂之間的力是607.2nn。
國際測量師聯合會表明，多壁碳納米管回升到原子力顯微鏡的懸臂。在這個過程中，該部隊（主要是范德瓦爾斯軍隊）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X結推拉上的多壁碳納米管的變形。
圖12（C）是一個多重曝光的照片，描繪了同樣的過程顯示圖（a）和（b）。從圖（C），在這個過程中發(fā)生的力的測量是54.6nn 。
6、結論
帶有兩個懸臂10-DOF 超微型機械人裝置操縱已經建成，在掃描電子顯微鏡。通過調節(jié)施加的原子力顯微鏡的懸臂和樣品基體之間的電壓，對介電泳力對象有效控制。三維操作是在多壁碳納米管的介電泳力控制輔助實現，和力的測量進行了。正在開發(fā)的機器人將為納米顆粒的性能研究與納米積木(如碳納米管納米級的裝置)建設的基本工具。力進行測量和抗彎剛度和一個 p30nmx7ktm多壁碳納米管的楊氏模量的估計分別8.641xl0-20nm2和2.17tpa。
致謝
我們感謝在三重大學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在電氣通信大學提出對碳納米管的一本書的指導。
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