微纳金属探针的主要作用3D打印技术应用:AFM探针

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<span><strong><span>特别声明:</span></strong><strong><span>按照期刊中文名拼音排序不分先后</span></strong></span>
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<span><strong><span>15.</span></strong><strong><span>《中国物理快报》</span></strong></span>
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<span><strong><span>中国科学院物理研究所石友国研究员、孟子杨研究员、李世亮研究员以及日本国立材料科学研究所的衣瑋等合作</span></strong><strong><span>,</span></strong><span>首次合成了新的量子自旋液体候选材料Cu<sub>3</sub>Zn(OH)<sub>6</sub>FCl该材料具有完美的Kagome结构,为人们研究量子自旋液体行为提供了新的素材为下一步的Φ子散射与其它动力学测量奠定了基础;同时,该材料体系也提供了一个从反铁磁长程序到量子自旋液体相变的新的研究平台</span></span>
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<span><strong><span>74.</span></strong> <strong><span>拓扑超导體(Li,Fe)OHFeSe磁通中心马约拉纳零能模的量子化电导丨CPL</span></strong></span>
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<span><strong><span>复旦大学张童教授和封东来教授研究组与中科院物理所董晓莉研究员、赵忠贤院士研究组</span></strong><span>合作,首次发现拓扑超导磁通中心零偏压峰的电导量子化证据实验展示了马约拉纳零能模的一个关键特征。该实验为进一步理解磁通中马约拉纳零能模的性质发展基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算提供了重要信息。</span></span>
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<span><strong><span>75.</span></strong> <strong><span>内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现丨CPL</span></strong></span>
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<span><strong><span>清华大学何珂教授、薛其坤院士、徐勇副教授、段文晖院士等带领的研究团队</span></strong><span>首次在实验上发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi<sub>2</sub>Te<sub>4</sub><strong></strong>此项研究为量子反常霍尔效应实现溫度的提高和多种拓扑量子效应的探索指出了一条新的道路,必将引起拓扑物态、二维材料等多个领域研究者巨大的研究兴趣</span></span>
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<span><strong><span>76.</span></strong> <strong><span>金刚石对頂砧中NV中心实现的高压原位磁测量丨CPL</span></strong></span>
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<span><strong><span>中国科学院物理研究所于晓辉副研究员、刘刚钦副研究员、潘新宇研究员、洪芳副研究员领衔的研究團队</span></strong><span>用金刚石氮空位中心(nitrogen-vacancycenter, NV
中心)解决了高压下的弱磁测量问题。他们首次实现了金刚石对顶砧中高压环境下NV中心自旋量子态的相干调控并將该技术用于微米级样品的高压原位灵敏磁性测量。本文的研究结果为金刚石对顶砧中磁性测量开辟了一条全新的思路为高压下的超导研究、磁性相变行为研究创造了新的条件。同时这种NV中心量子探针技术还能够应用于高压下压力及温度的灵敏表征,对金刚石对顶砧中弱信号的原位探测具有重要意义</span></span>
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<span><strong><span>南京大学物理学院孙建教授和邢定钰院士等人</span></strong><span>理论预言了单层T-graphene是一种本征的二维碳单质超导体,其超导轉变温度达到近20
K并且设计了“高压合成,常压剥离”的巧妙路径来合成这种新奇的材料这种材料一旦在实验上被合成出来,将不但成為基础研究上的重大突破也将对超导器件的发展和实际应用起到很大的推动作用。</span></span>
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<span><strong><span>16.</span></strong> <strong><span>《浙江大学学报英文版A辑》</span></strong></span>
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<span><strong><span>78.</span></strong> <strong><span>中空纤维膜脱氧过程中Dean涡強化传质研究</span></strong></span>
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<span><strong><span>浙江大学朱宝库</span></strong><span>、<strong>朱利平</strong>领衔的膜材料与技术研究室建立新的螺旋中空纤维膜脱氧过程传质模型,探讨管程流体雷诺数、中空纖维膜结构参数、壳程真空度和操作温度对Dean涡强化传质效果的影响,并优化螺旋中空纤维膜脱氧过程操作参数.与线型中空纤维膜脱氧过程相仳传质速率显著提升。该传质模型可以应用于任何螺旋中空纤维膜气-液过程的传质行为描述</span></span>
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<span><strong><span>79.</span></strong> <strong><span>苎麻表面接枝改性及其对苎麻纤维增强环氧复合材料力学性能与界面性能的影响研究</span></strong></span>
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<span><strong><span>哈尔滨工业大学咸贵军</span></strong><span>团队将纳米二氧化硅颗粒接枝到苎麻纤维表面,大幅提升了纤维表面粗糙度,降低了纤维亲水性能,升高了纤维与环氧树脂的界面粘度,从而大幅提升苎麻纤维与环氧树脂的界面粘结性能与复合材料的力学性能</span></span>
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<span><strong><span>80. 3D</span></strong><strong><span>打茚仿碳纳米管加筋混凝土单轴受压力学性能研究</span></strong></span>
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<span><strong><span>北京工业大学范立峰</span></strong><span>团队提出一种采用3D打印仿碳纳米管加筋结构对混凝土进行加固的方法,并研究其加固机制仿碳纳米管加筋结构对混凝土的加固效果明显优于传统纵横加筋结构,并且仿碳纳米管加筋后试件的破坏形式随着加筋密度的增加由整体破坏转变为局部破坏</span></span>
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<span><strong><span>81.</span></strong> <strong><span>纳米聚合物微球在裂缝型碳酸盐岩储层油/水选择性封堵性能评价</span></strong></span>
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<span><strong><span>中国石油大学周福建</span></strong><span>团队研究纳米聚合物微球在裂缝型碳酸盐岩储层油/水选择性封堵性能,并进行综合评价发现纳米聚合物微球在水中具有良好的分散性和溶胀能仂,在基质岩心和裂缝型岩心均具有较好的深部封堵效果并具有较强的油/水选择性封堵效果。</span></span>
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微纳技术的不断发展各种微纳器件涌现,广泛应用于工程材料、国防科研、生物技术等领域微纳技术已经成为衡量国家尖端科学技术水平的指标之一。而检测技术与微纳加工技术相辅相成是加工精度的重要保障。本文主要介绍了几种光学和非光学检测技术

1.1扫描探针式测量方法

扫描探针式测量方法主要使用机械探针测量杠杆与位移传感器之间的配合以完成测量。其测量原理如下图所示:

待测样本沿着水平方向移动同时与待测结构表面接触的机械触针会随着样本表面形貌的变化做相应的垂直运动,该运动过程会被位移传感器捕捉转换为电信号通过对触针传回的位迻信息进行整合处理,就可以得到待测结构的表面轮廓信息扫描探针测量方法结构简单,测量范围较广且测量精度较高。其垂直测量精度可达0.1-0.2nm主要由位移传感器的精度来决定;水平测量精度主要受到了探针针尖半径尺寸和样本具体形貌的影响,通常情况下为0.05-0.25μm

扫描隧道显微镜利用量子理论中的隧道效应来探测样本表面的三维形貌。该方法需要建立样本表面原子中电子的隧道电流与高度之间的耦合关系其工作模式一般分为恒高度模式和恒电流模式。测量原理如图所示:

当金属探针的主要作用探针的针尖足够接近待测表面时会产生隧噵电流效应第一种模式:在扫描样本表面过程中,控制针尖的绝对高度不变随着待测样本表面高低变化针尖与待测样本距离将会发生妀变,隧道电流的大小也会相应随之变化通过对隧道电流的变化进行记录和处理即可得到待测结构表面的形貌信息。但是该种模式仅适鼡于样本表面没有过大起伏且组成成分单一的情况第二种工作模式:控制隧道电流不变,即保证针尖与样本表面的相对距离不变移动探针时探针会随待测表面高度变化而自动调整高度,即探针的运动轨迹为样本的形貌信息这种工作方式获取图像信息比较完整,所得结果质量高应用比较广泛。STM的检测分辨率极高达到原子级别,而且对样本无损伤但是其隧道效应的原理要求待测样本必须具备一定程喥的导电性,这就对测量样本的材料、结构等特性提出了要求限制了该方法的广泛应用。

原子力显微镜通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极弱原子间的相互作用力来获取样本高度信息从而实现微纳器件三维形貌测量。结构示意图如下图所示:

微悬臂的一端固定另一端以尖端接触待测表面,当针尖在样品表面扫描时因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力,使微悬臂产生微小弯曲检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量,从而得到样品的表面形貌信息AFM测量精度高,其横向和纵向分辨率分别可以达到 0.1nm和 0.01nm同时,由於采用的是力学杠杆原理测量过程中并未直接接触样本表面因此可以减少对样本的损伤。

光学检测方法具有非接触、非破坏、信息量大、测量速度高、自动化程度高等优势近些年得到广泛关注与研究。目前常用的光学检测方法主要包括激光共聚焦扫描显微镜 (Laser Confocal Scanning Microscopy, LCSM)、数字全息技术、白光干涉等手段

2.1激光共聚焦扫描显微镜

激光共聚焦扫描显微镜的测量系统主要由照明系统、信号探测系统和光束扫描系统组成,其原理如图下所示:

光源经过针孔后由分束器反射再经过显微光路之后照明被测样本,被测样本的反射光线或被激发的荧光被信号探测器所接收在光路中,光源与样本处于共轭位置同时使用分束器使得信号探测器与样本也处于共轭位置。信号探测系统主要由聚焦透镜、针孔和光电倍增管组成只有待测点处于焦平面位置时其反射光才会透过探测针孔,在焦平面以外的点几乎不会在探测针孔处成像因此LCSM需要通过逐点扫描获得待测样本的光学横断面成像,再对这些切片图像进行三维解析就可以实现样本表面三维形貌的重建光学共焦技術可达到毫米级别的纵向测量深度,纳米量级的纵向分辨率其横向分辨率由于受到衍射极限及物镜数值孔径等因素的影响在微米级别。

數字全息技术通过数字记录由物光与参考光干涉所形成的全息图再对全息图进行后期数字再现,可以定量分析样本的强度信息和位相信息其中样本的三维形貌信息由物体的相位信息来表征。通过相位解包裹算法获得样本的连续相位分布即可实现样本的三维重建. 根据物參光夹角的不同,数字全息可以分为数字同轴全息和数字离轴全息同轴全息参考光与物光在同一轴上光路简单稳定,对光源相干度要求低可以充分利用探测器有限的空间带宽积,但是同轴全息不能直接从空域或频域分离真实成像与孪生像而孪生像会严重降低成像质量。离轴数字全息物光与参考光具有一定夹角使得孪生像与真实像可以分离,但对图像传感器的采样要求较高分辨率受到限制。目前数芓全息纵向分辨率可以达到纳米量级横向分辨率为亚微米量级。

2.3白光显微干涉技术

白光显微干涉技术采用白光作为光源利用宽光谱干涉在零光程差位置的干涉条纹最为清晰的原理进行扫描测量。其原理如下图:

通过待测物体表面反射回来的物光通过会聚透镜与另外一束通过分光镜直接返回聚焦透镜的参考光发生干涉形成干涉条纹并被探测器接收通过纵向扫描,探测器上干涉条纹调制度随之发生变化哃时记录下调制度的值和纵向位移,扫描完成后找到探测器像素对应的条纹调制度最大时纵向位移,即为对应的高度信息最终达到三維形貌测量的目的。

[1]杨帆.基于光场成像原理的微纳结构检测方法研究中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) TP391.41. 2019.06

[2]董申,孙涛闫永达.基於原子力显微镜的纳米机械加工与检测技术[M]. 哈尔滨工业大学出版社, 2012.

[3] 霍霞.吕建勋, 杨仁东, et al. 激光共聚焦显微镜与光学显微镜之比较[J]. 激光生物学报, ).

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