跨尺度纳米操作机驱动机理及自动化微纳操作方法的研究

With the development of nanotechnology, more and more complex nanamanipulation is demanded. The automatic accuracy manipulation in nano-scale to nanoparticles and nanomatrials is one of basic and indispensable trategies in the field of nanotechnology. Nanomanipulation under scanning electron microscopy (SEM) imaging, due to its unique capability of high precision and programmability for manipulating individual nano-scaled objects, enables new applications in nanomanufacturing, biomedical engineering, and the development and characterization of new nanomaterials. This proposed project will study fundamental strategies and develop tangible hardware and software for nanomanipulation insidethe high vacuum chamber of SEM. Specific research topics will include: (1) stick-slip-based nanopositioning for across-scale (micro and nano) precision manipulation; (2) design and fabrication of monolithic MEMS-based nanogripping tools as end-effectors for SEM nanomanipulation; (3) 3D visual servo control using real-time SEM visual feedback and the acquisition of depth information from SEM imaging; (4) new techniques for processing real-time SEM images with high noise and high drift at high magnifications to achieve robust visual tracking and object recognition; (5) the development of an automated SEM nanomanipulation system; and (6) new automation techniques for repeatable pick-up of individual nanowires from a growth substrate and placing nanowires onto target structures by automated pick-place of nanowires.

纳米技术的迅速发展要求日益复杂的纳米操纵策略，其中纳米尺度的物体和材料的自动化精确操纵是必不可少的纳米技术研究基本手段之一。针对纳米制造、生物医学、新材料等领域对精确纳米操作的需求，研究基于粘滑驱动的跨尺度纳米操作机和粘滑压电驱动跨尺度运动生成机理，通过对在扫描电子显微镜 (SEM) 中真空及电子束照射环境对测量方法和运动控制的干扰机理的研究，设计基于SEM的纳米级操作的高精度、低漂移控制系统，深入研究粘滑结构实现跨尺度纳米级可重复定位的方法。研究SEM图像在高倍放大时的图像噪声与畸变模型及其对操作精度的影响，并基于SEM视觉反馈伺服自动控制方法，实现对微纳操作手的精确控制。建立基于SEM的自动化纳米操作系统装备原型，实现在SEM图像反馈导引下，操作跨越两个数量级的球体，实现可重复的从纳米线的生长基质上拾取单根纳米线，并将其放置在目标结构上。

纳米科学及技术的飞速发展，迫切需要与之相匹配的纳米操作策略。纳米科学研究的基本手段之一就是要对纳米尺度物体和材料进行精确自动化的操作。准确而高效地将单个纳米材料移动到预期目标位置，实现纳米材料自身机械、电气性能的准确表征，意义格外重大。由于操作对象特征尺寸从微米尺度减小到纳米尺度，起决定作用的物理力、作用机制以及相应纳米级跨尺度高精度定位及纳观信息反馈方法与常规宏观环境中的机制与方法不同，要实现在纳米尺度对纳米结构的精确操作与装配，迫切需要研究具有宏-微-纳跨尺度的纳米操作系统、可操作微/纳米尺度物体的操作工具以及高效的自动化操作方法和策略。本项目研究内容包括：.1、研究基于压电陶瓷与定位平台接触摩擦动态特性、压电粘滑变摩檫力驱动原理等多个问题，通过构建粘滑跨尺度纳米精密定位平台机电系统动力学模型，揭示基于SEM粘滑压电驱动纳米位移产生机理。完成压电柔性铰链粘滑驱动机构刚度匹配、粘滑驱动机构的优化设计。.2、研究对纳米级位移的感知技术，设计可实现纳米级感知位置变化的系统。提出一种模拟温度补偿方法以实现对所出现影响产生的畸变进行补偿，达到纠正的效果。基于迟滞和蠕变特性，建立快速粘滑运动的压电陶瓷运动学模型，提出一种前反馈式补偿修正控制算法，实现对压电陶瓷的迟滞和蠕变特性进行补偿。设计一种二维纳米定位平台。.3、研究对在SEM图像噪声条件下的图像滤波算法，提出一种基于GPU技术的NLM 降噪方法。提出一种鲁棒的图像配准技术，实现SEM 图像的漂移矫正。提出一种基于SEM观测的纳米操作过程深度信息获取方法。实现在SEM下，不需要增加任何其他设备或者传感器获取深度信息。.4、完成对基于SEM环境下纳米操作机的结构设计。通过对单根纳米线的自动化操作实验验证本课题解决方案的有效性及合理性。设计一种新型的模块化跨尺度纳米操作工具，实现对多尺度、多形状的微纳物体进行夹持。.在本项目的资助下：共计发表论文12篇，其中SCI源国际期刊7篇，EI源期刊3篇，中文核心期刊3篇，国际会议2篇；SCI检索7篇，EI检索3篇；申请发明专利4项，其中授权发明专利1项。.本项目的研究将为纳电子器件装配与制造、生物纳米精确操作及纳米材料原位测量等提供新的实现方法和技术途径，促进我国在纳米制造、纳米测量 等相关科技领域的发展具有重要的科研价值和学术意义。