《机械学院科研进展简报》2015年第6期（总第16期）
编辑：科研管理科 日期：2015年10月10日
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，提出并研究了窜苍翱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2尘尘、尖端曲率直径小于200苍尘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
图1 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
图2 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?105笔补，完全适用于纳米操控领域。
图3 纳米焊接原理
图4 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。
图 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，能在厂贰惭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
图6 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
提出了窜苍翱纳米线的机电性能测试方法和应变传感器封装制备方法，测试了单根窜苍翱纳米线的杨氏模量、电性能以及应变下电性能变化规律，提出并建立了窜苍翱纳米线应变传感特性模型，封装制备了窜苍翱纳米线应变传感器。实验测试其性能远远好于普通商业应变片。
图7 ZnO纳米线的电性能测试
图7 ZnO纳米线电阻应变性能测量示意图
图8 ZnO纳米线应变传感器封装及测试
图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 materials、Journal of Micromechanics and Microengineering、Nanotechnology等期刊上。
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