ZnO纳米线操控的关键工艺及其传感应用研究

作者:刘晓军       发布于:2015-10-12 08:00:00       浏览次数:2287次

《机械学院科研进展简报》2015年第6期总第16 

编辑:科研管理科    日期:2015年10月10


随着纳米科技的迅速发展,各种新型纳米材料不断出现,以纳米材料为功能单元的纳米器件也相继问世。目前,纳米材料性能测试和纳米器件的制备,大多直接借助诸如半导体测量仪以及原子力显微镜等表征仪器进行,较为简陋粗糙;研究开发实施纳米材料机电性能测试、制备纳米器件的操控工艺与装置成为当务之急。

机械学院刘晓军教授课题组与台湾中原大学合作,针对现有纳米操控方法的缺点与局限性,致力于研究一套完整的纳米材料操控工艺和装置,包括大长径比纳米操作臂的制备方法及其优化工艺、电子束诱导沉积纳米焊接方法与工艺、基于形状记忆合金的电控纳米镊子等,能够实现对单元一维纳米材料的拾取、夹持、位移、放置、连接固定等操控功能。同时,提出并研究了ZnO纳米线应变传感特性模型,并在上述操控工艺与传感模型基础上,研究了纳米材料的机电性能测试方法,制备了纳米材料功能传感器。

 

1. 大长径比纳米操作臂的制备方法及其优化工艺研究

分析了动态电化学腐蚀机理与工艺规律,研发了一套全自动大长径比纳米操作臂制备装置,实验研究并得到了长度大于2mm、尖端曲率直径小于200nm的纳米操作臂制备最优工艺参数。

           

(a)电化学腐蚀探针制备原理    (b) 动态腐蚀大长径比纳米操作臂制备方法

大长径比纳米操作臂的制备方法

 

(a) 腐蚀液浓度影响                  (b)腐蚀电压影响

    

(c)阈值电压影响                      (d)提升速度影响

工艺优化实验研究

 

2. 基于电子束诱导沉积原理的纳米焊接工艺方法研究

基于电子束诱导沉积原理,提出了以扫描电子显微镜为基础装置、以石蜡为前驱材料、无需前驱材料泵入装置的纳米焊接工艺。分析了电子束激励石蜡分解和沉积机制,实验研究建立了焊接工艺规律。试验测试证明此工艺连接强度高达2.3´105Pa,完全适用于纳米操控领域。

  

纳米焊接原理

         

焊盘形成及应用

 

3. 基于形状记忆合金的电控纳米镊子研制

设计制作了电控形状记忆合金驱动的纳米镊子,并测试分析了其动力学特性。同时提出了借助静电力实现纳米线自由放置的方法,并深入探究了纳米线受静电力的作用模型以及最优放置工艺参数。

        

 5 电控形状记忆合金驱动的纳米镊子

 

4. 纳米材料操作平台构建

建立了纳米材料操作平台,能在SEM下实现纳米材料的操控,以完成纳米材料的机电性能测试与基于纳米材料的传感器制备。

     

(a)置于扫描电镜下的电控多自由度纳米操作台           (b)纳米材料操作平台系统

纳米材料操作平台

 

5. ZnO纳米线电性能特性理论模型、实验测试与传感应用研究

提出了ZnO纳米线的机电性能测试方法和应变传感器封装制备方法,测试了单根ZnO纳米线的杨氏模量、电性能以及应变下电性能变化规律,提出并建立了ZnO纳米线应变传感特性模型,封装制备了ZnO纳米线应变传感器。实验测试其性能远远好于普通商业应变片。

     

7 ZnO纳米线的电性能测试

 

7 ZnO纳米线电阻应变性能测量示意图

 

8 ZnO纳米线应变传感器封装及测试

 

9 ZnO应变传感器与应变片性能对比图

该项目得到数字制造装备与技术国家重点实验室开放课题(No.DMETKF2013004)和创新研究院技术创新基金青年项目(No.0118100031)资助。相关成果发表在Science of Advanced materialsJournal of Micromechanics and MicroengineeringNanotechnology等期刊上。