SiN薄膜纳米孔芯片制造工艺实验研究

针对第3代基因测序的需求,提出一种大规模的氮化硅薄膜纳米孔芯片制造技术.通过测量不同膜厚氮化硅薄膜的应力,选择适用于纳米孔制造的最佳厚度为100 nm.采用低压化学气相沉积、反应离子刻蚀和释放工艺制备出高成品率的氮化硅纳米薄膜芯片.在此基础上,使用聚焦离子束和高能电子束实现氮化硅薄膜纳米孔的制造.研究聚焦离子束刻蚀时间、电流与纳米孔直径的关系.实验结果表明,采用聚焦离子束将氮化硅薄膜的厚度减薄至40 nm以下时,制作纳米孔的效果更好.采用聚焦离子束制造的氮化硅薄膜纳米孔最小直径为26 nm,而采用电子束制备的最小直径可达3.5 nm.该方法为基于固体纳米孔的DNA测序检测提供了有力的支撑.

退火温度对纳米多孔金微米线热导率的影响(英文)

采用T形探针法测量了纳米多孔金微米线的热导率.实验结果表明,热导率随着退火温度的升高而减小.如果只考虑孔隙率及金孔壁宽度的影响,根据已有模型计算得到的热导率将大于实验结果.纳米多孔金结构的形态学分析显示,随着退火温度的升高,纳米多孔金的孔壁宽度增大,从而可能导致孔壁内部的拉应力增加.内部拉应力将引入纳米结构缺陷,进而使得电子与缺陷之间的散射增强,最终降低了纳米多孔材料的热导率.

原子核磁共振显微检测芯片的磁路设计

基于磁路设计理论首先设计了一种适用于原子核磁共振显微检测芯片的永磁磁路;然后根据磁路磁通折射定理和基尔霍夫第一定律对设计的磁路模型进行理论分析,提出了单一匀场环磁路性能优化方法;最后利用有限元方法分别计算了优化前的磁路、单一匀场环优化后磁路和传统的双匀场环优化后磁路.计算结果表明:相比优化前和采用传统的双匀场环优化后的磁路,采用单一"匀场环"优化后的磁路其性能最优,工作区域内磁场强度和均匀度都得到了极大的提高,磁场强度达到0.703 544 T,工作区域内磁场均匀度为14×10-6.因此所设计的磁路能够较好地满足原子核磁共振显微检测芯片的需求.

血管支架耦合系统血流动力学数值模拟与实验研究

针对预防血管支架植入后再狭窄的需求,分别用数值模拟和实验测试的方法研究了血管支架耦合系统的血流动力学因素.采用有限体积法的基于算子分裂的压力隐式算法进行了脉动流状态下的壁面剪应力分析,结果表明:壁面剪应力的最小值总是出现在支架杆临近区域;任意时刻,壁面某个点的壁面剪应力与入口速度、入口加速度正相关,壁面剪应力值低于0.5 Pa区域面积与入口速度负相关;在一个心动周期的部分时刻,支架段内出现低于0.5 Pa的壁面剪应力,因此该区域为内膜增生易发区;支架杆壁厚与低壁面剪应力区域面积正相关;支架杆宽度与壁面剪应力基本无关.采用电化学方法定量测试了在模拟血管内植入支架前与植入支架后的壁面剪应力平均值.结果表明:实验数据与数值分析结果具有较好的一致性,所提出的实验方法是对血流动力学模拟方法的合理补充和有效验证.

冠脉支架的多功能体外力学性能测试装置及实验研究

针对开发优良力学性能冠脉血管支架的测试需求,研究开发了一套基于机器视觉技术的多功能血管支架力学性能测试装置,并应用所研制的测试装置对自主研发的薄壁微管雕刻316L不锈钢冠脉支架介入过程中的柔顺性、径向支撑力以及支架植入后脉动流环境下的血流动力学特性等多项力学性能进行测试.测试结果表明:该支架具有良好的输送性能;其径向支撑力为180kPa;该支架植入后降低了支架段血管内壁的壁面剪应力,特别是支架近前端和近后端处为低剪应力区,易导致内膜增生而出现再狭窄.测试过程表明,该测试装置满足冠脉支架的多种力学性能测试需求.

纳尺度下类金刚石(DLC)薄膜摩擦性能研究

类金刚石薄膜(DLC)作为保护涂层在磁存储系统和微/纳米机电系统(M/NEMS)等方面的应用十分广泛,但其在实际应用中存在着摩擦副的设计问题,本文中采用物理气相沉积(PVD)技术以金属Cr作为过渡层在硅基底上制备类金刚石薄膜,利用原子力显微镜,对类金刚石薄膜的表面特性进行表征,并研究针尖的力学性能对类金刚石薄膜摩擦学性能的影响.结果表明纳尺度下硅针尖和氮化硅针尖测得的摩擦力与法向载荷之间均呈线性关系,这说明针尖材料对类金刚石薄膜的摩擦性能没有影响.Si针尖的SEM图像表明:高载荷下,Si/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于Si针尖的磨损;而类金刚石薄膜的AFM图像表明:Si3N4/DLC摩擦副的摩擦系数增加是由于类金刚石薄膜表面的粗糙峰在高载条件下发生了塑性变形,DMT理论计算验证了我们的实验结果.因此,本研究对于类金刚石薄膜在实际应用中摩擦副的设计具有指导意义.

面向制造的圆角特征选择性抑制识别的处理策略

为了最大程度地保留零件模型信息,提出了一种面向制造的圆角特征处理策略.该策略将圆角特征分为抑制类与非抑制类,并采用不同的处理方法.处理过程包括圆角特征识别与分类、圆角抑制与恢复2部分:根据刀具接近方向识别出所有主加工面,再以主加工面为基础向周围搜索识别圆角过渡面,然后分析过渡面信息进而确定圆角特征类型;对抑制类特征进行抑制,对抑制后的模型进行特征识别,完成之后恢复抑制的圆角特征,并还原三维模型的原始结构,对非抑制特征不做任何处理.该处理策略简化了圆角特征的抑制过程,最大程度地保留了三维模型的特征信息,提高了特征识别的整体效率与准确性.最后,利用实例验证了该模型的正确性.

石墨烯纳米带热导率的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法研究了石墨烯纳米带的热导率随温度变化的关系.通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,利用Tersoff作用势和Fourier定律计算热导率.由于模拟尺寸较小时热导率随纳米带长度的增加而单调增加,为了减小长度对石墨烯纳米带热导率的影响,采用倒数拟合的方法消除了尺寸效应.模拟结果表明,石墨烯纳米带热导率随温度升高逐渐减小,这与高温下Umklapp散射作用的增强有关.结果还表明,在实际宽度近似相等的条件下,锯齿形纳米带的热导率明显高于扶手椅形,且对相同类型的纳米带,其热导率随宽度的增加而增加,表明纳米带的手性和宽度是影响石墨烯纳米带导热性能的重要参数.

硅表面微结构对表面润湿方向性影响的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了硅表面微结构对表面润湿方向性的影响,采用3种不同的微结构探讨了水滴在表面上的扩散方向问题,以及微结构尺寸对表面润湿性的影响.研究结果表明,表面微结构宽度存在临界宽度值,当微结构宽度小于临界宽度时表面表现为疏水性,反之,亲水性增强;在疏水性表面上,水的铺展性表现为各向同性,水滴稳定后俯视图近似为圆形,在亲水性表面,水的铺展性表现为各向异性,表面微结构形状不同,水滴稳定后呈现不同的特殊形状.

血管支架输送性的体外测试装置及实验研究

依托自主设计的血管支架力学输送性能测试平台,对316L不锈钢材料的微管雕刻冠脉支架及其输送系统进行了体外输送性实验研究.该测试平台集成了基于PC的数据采集和机器视觉系统,较准确地模拟了体内状况.经重复性实验的验证,实验平台具有很好的精度和数据可重复性(6次重复性实验的标准偏差达0.03N).实验分别测试了不同输送速度下和不同转弯半径下的输送力的大小,结果表明:支架球囊系统在模拟冠状动脉血管的160mm输送行程中,输送力呈逐渐增大的趋势,最高处达到了1.2N;而在通过弯段血管时,输送力出现显著的上升,随后减小,在圆弧的中点附近存在一个输送力的峰值;输送力随输送速度的增大而增大,随管道的转弯半径的增大而增大,此结果可对临床上心脏介入手术提供一定的参考价值.

纳通道内λ-DNA过孔信号的小波去噪及统计分析

针对λ噬菌体中的脱氧核糖核酸(λ-DNA)通过纳米通道时的过孔信号噪音大,强度弱且非平稳的缺点,提出了使用具有良好时频域分辨能力的小波分析方法对其进行去噪处理,并对有效去噪后的λ-DNA过孔信号进行了统计分析.首先根据小波去噪原理,选择合适的小波函数,确定最佳的分解层数并选取合适的阈值,对实验采集到的含噪声信号进行去噪处理.根据最终去噪效果可得,以sym7为小波基函数、分解层数5层、使用默认软阈值可以有效降低信号中的噪声,提高信噪比.然后,对具有48 000个碱基对(48 kbp)的λ-DNA通过60 nm氮化硅(SiN)纳米孔的特征信号进行了统计分析,分析结果表明,阻塞电流和过孔时间分别符合双峰高斯分布和偏正态分布,这为后续DNA分子的辨识工作提供了依据.

多层石墨烯纳米带的法向热传导

为了探讨纳米带横截面积和制造过程中可能引起的凸起结构对多层石墨烯纳米带法向热传导的影响,采用了能够反映纳米尺度下声子波属性和量子效应的原子格林函数方法来进行计算研究.结果表明,石墨烯纳米带单位面积法向热导与横截面积呈负相关,并最终趋近于体态值100 M W/(m2·K).造成此现象的原因是随着横截面积的增大,增加的声子支主要位于高频区域,而相对于低频声子,高频声子在界面处的透射值较小.另外,声子局域态密度和透射函数的计算结果表明,凸起会改变热流的传递方向和降低热流传递的效率,从而减小法向热导.

辐射换热对悬空微器件温度的影响

基于悬空微器件法的一维纳米结构热物性测量技术在纳尺度传热研究中得到了广泛的应用。为了研究辐射换热给这类实验测试带来的误差,本文在20~360 K温度范围内测试了低温恒温器中遮热罩的个数对悬空微器件热源/热沉和基底温度的影响。研究结果表明：在没有加热电流的情况下,使用三层遮热罩时,热源/热沉温度和基底温度的差异可以忽略;采用两层遮热罩时,热源/热沉温度同基底温度最多差0.4 K;只使用一层遮热罩时,辐射换热使得360 K时热源/热沉温度比基底温度低11.8 K。因此,为了降低辐射换热对实验结果的影响,低温恒温器中至少应该使用2个遮热罩。

基于全息建模的补偿器类产品参数化设计方法

在补偿器类产品设计中引入了全息建模的设计思路,研究了基于全息建模的产品参数化设计方法,在CAD平台上完成了系统的开发,并结合实际应用对系统进行了具体的验证。系统已在企业中得到深入应用,使得补偿器类产品的设计质量和效率大幅度提高,满足市场对新产品的需求。

微管道内溶液的等效电阻与外加电压相关性

搭建测量微米级管道内溶液电阻的实验平台,研究了直径在50～300μm玻璃管道内溶液的等效电阻,建立了在直流小电压作用下,微管内溶液的等效电阻与外加电压的相互关系,并对实验中的误差因素进行了分析.结果表明:在一定的电压范围内,微管内溶液的等效电阻与施加在两端的电压成非线性关系.在电压比较小的初始阶段,随着电压值的增大,微管的等效电阻值迅速减少;当电压增大到临界值(4～6V)时,等效电阻的变化量减小,最后趋于一定的阻值,该阻值近似为对应本体溶液的电阻值.研究结果表明在电压较小的初始阶段,电解及电极极化作用主导微管等效电阻,随着电压的增大,由于离子电流的增加,这种影响会迅速减少.

大面积纳米压印技术及其器件应用

大面积纳米压印技术是一种利用模板压印方法大规模制备大面积微纳米结构的图形化技术,具有重复性好、成本低及结构分辨率高等优点。对各类聚合物及介质的快速结构成型使得大面积纳米压印技术在制备微纳光学、光电器件方面具有独特的优势,可应用于发光二极管、显示器、增强现实光波导及微流控芯片等众多领域,并在纳米技术商业化中发挥关键作用。首先对纳米压印技术进行介绍,然后从大面积纳米压印技术、大面积压印模板制备、大面积纳米压印技术的器件应用及其前景与挑战四个方面来介绍大面积纳米压印技术。

聚合物薄膜惯性微流控芯片研制及直流道内粒子聚焦特性

提出一种低成本、可一次性使用的聚合物薄膜惯性微流控芯片,并探索了样品输入流量、粒子尺寸及流道截面尺寸对直流道内粒子惯性聚焦效果的影响机制.该聚合物薄膜芯片采用激光切割和热塑封的新型工艺实现快速、批量化制造.随着样品输入流量的增加,粒子聚焦效果逐渐优化,并在达到峰值后,随流量进一步增加而下滑;不同尺寸粒子在相同结构流道内的表现差异显著,粒子直径越大,其在惯性直流道内的聚焦效果越好;不同流道截面宽度的实验结果显示,截面宽度较小的流道结构更利于实现粒子的聚焦.研制的新型直流道聚合物薄膜惯性微流控芯片具有实现细胞等生物医学样品高效预处理的应用前景.

LiCl溶液中基于固态纳米孔的DNA检测

采用阳离子体积较小的LiCl溶液作为缓冲液,研究DNA在不同浓度下通过固态纳米孔时的行为特征,以探究DNA的过孔机理.实验结果表明,当LiCl溶液浓度从0.1 mol/L变化到1.0 mol/L时,由DNA过孔所引起的相对阻塞离子电流信号比值从0.014 42降低至0.002 79,而DNA完全通过纳米孔所需时间从0.30 ms增加至1.87 ms.对比1 mol/L KCl,Na Cl,LiCl三种溶液中DNA的过孔结果发现,在LiCl溶液中DNA的过孔时间分别为KCl,Na Cl溶液中的6.2和5.3倍,说明LiCl溶液能够有效降低DNA的过孔速度.此外,实验发现LiCl溶液中DNA主要以线性非折叠和折叠2种形态过孔.因此,增加LiCl溶液浓度可延长DNA的过孔时间,但会使相对阻塞离子电流信号幅值降低.

面向板腔类零件机加工艺的加工特征识别方法

为了实现板腔类零件加工特征智能识别,加快三维机加工艺的设计速度,研究了面向板腔类零件机加工艺的加工特征识别方法。综合考虑加工特征的通透性和开放性,将加工特征分为完全开放加工特征、半开放加工特征、封闭盲加工特征、半开放通加工特征和封闭通加工特征5种类型;介绍了加工特征识别过程的原则,提出了基于主加工面自底向上的特征识别策略;详细阐述了加工特征的识别过程,主要包括特征类型的判别、加工特征的多义性处理和加工特征体的提取等关键步骤。建立了面向腔板类零件的三维CAD/CAPP集成系统的原型系统,实现了加工特征识别模块,并通过实例零件验证了所提方法的有效性和正确性。

猪笼草蜡质滑移区表面反粘附特性的研究

利用环境扫描电子显微镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)表征红瓶猪笼草蜡质滑移区表面微观形貌,并提取粗糙度的相关参数。利用AFM分别在低载荷和高载荷下对蜡质区表面同一区域进行扫描,在不同条件下的扫描形貌一致,且扫描后的探针针尖上未发现附着污染物。利用胶体探针技术在无针尖的探针悬臂上粘附15μm SiO_2小球,模拟单根刚毛与猪笼草蜡质区表面的接触,并测试蜡质区表面的粘附力和摩擦力,并与不同粗糙度的抛光纸表面做对照。考虑到表面物理化学性质对其粘附特性的重要影响,利用接触角测量仪测量蜡质区表面和同粗糙度范围抛光纸表面对水和二碘甲烷的表观接触角并利用二滴法计算其表面能。研究结果表明:蜡质滑移区表面单个蜡质晶体具有力学稳定性,不会因脱落而污染昆虫的粘附器官,污染学说不成立;表面微粗糙度能有效地减小界面间的接触面积,降低了蜡质滑移区表面的粘附力和摩擦力;蜡质滑移区超疏水特性和低表面能是降低表面粘附力和摩擦力的另一个重要因素,两者共同作用形成了猪笼草蜡质滑移区的反粘附特性。