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微纳器件一般以微纳光学元件为主 ,基本上以纳米为计算单位的器件都可称为微纳器件。
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。
一. 非光学检测技术。
非光学测量手段主要包括扫描探针式测量方法、扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope, STM)、原子力显微镜 (Atomic Force Microscope, AFM)等多种类型。
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移信息进行整合处理,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。
1.2扫描隧道显微镜。
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。
当金属探针的针尖足够接近待测表面时会产生隧道电流效应,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改变,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。
但是该种模式仅适用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度的导电性,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。
21世纪机器人研究快速发展,人工智能掀起了新的浪潮,在这样的大环境下,我国人工智能也顺速崛起,在其领域创下非常高的成就,离不开众多科研工作者艰辛的付出和努力。其中,就有一位来自日本的科学家,在中国创下一项超级科研技术,给国内外带来了非常大的福祉,他就是福田敏男教授。
求学:一帆风顺
1948年12月,福田敏男出生于日本的首都东京,他从小天资聪慧,学习也很努力。从小就成绩非常的优秀,福田敏男也很顺利地考进了当地非常著名的大学——东京大学,并且在福田敏男29岁的时候就已经拿到了东京大学的博士学位,其31岁的时候开始就担任名古屋大学的教授。
对于这样一个刚刚三十多岁的成年男子来说,福田敏男能取得这样的成就,已经算是佼佼者。但福田敏男这位年轻教授的志向才刚刚的开始,他怀抱着对科研浓厚的兴趣,开始一步一步踏上他的科研征途。
“环境扫描电子显微镜”问世
1984年,福田敏男开始在显微镜下对微生物的操作进行了大量研究。福田敏男带领着他的团队,在该领域投入非常大的精力,并顶着机器人研究方面层出不穷、更新迭代非常之快的压力,对微生物电子显微镜进行了大的改造,将原本电子显微镜基于压电陶瓷驱动的高精密驱动器制造成集成度更高的机器人。
在此基础上,使用了先进的刻蚀技术制作末端执行器,即现在纳米机器人所用的手术刀和手术钳,成功地将两个部分整合,实现了微纳尺度下“看”和“做”的完美结合,顺利地将机器人系统集成到了扫描电子显微镜上,创作出了新一代的扫描电子显微镜,将扫描电子显微镜在其观察和执行方面提升了一个档次,带来了一个质的飞跃。
福田敏男教授也在纳米技术领域取得了非常大的成就。福田敏男教授在改进扫描电子显微镜之后,就带领他的团队,将所有的精力放在了纳米领域,经过福田敏男教授和他的团队在纳米领域不断深入地研究,在反复地实验和试错之下,最终成功地创建了纳米压痕的操作理论,这个理论系统意味着实现了世界历史上首次可以在电子显微镜下进行生物细胞切割的技术。
在临床医学中,病人发病率的攀升很大部分是由于人体器官的衰竭和丧失,目前临床比较好的解决方法是纳米领域的移植和替代,但人体器官的缺失根本就满足不了庞大的病人群体的需求数量,而福田教授的研究则为这样的病人除了器官移植,又提供了一项全新的选择。因此,福田教授这项开创性的研究在全世界都引起了轰动,并为病人带来了福祉。
“微纳机器人之父”
在此基础上,福田教授也一直致力于机器人仿生和微纳米技术的相关研究,并且也颇有建树,福田教授为解决医疗问题作出了重大的贡献。一直以来,器官的衰竭和组织缺失是医学界的重大难题,并且由于病人移植异体器官容易引起免疫系统排斥,而且病人需要定期服用价格非常昂贵的免疫药物,而且其并不是服用之后就可以确保完全没有人体排斥反应,因此在治疗过程中面临的风险非常高。
目前,人体组织器官的构建方法大多比较具有局限性,只能实现简单的结构搭建,但对于模拟真实人体的运作过程,无论是在技术上还是医疗知识上,依然属于遥不可及的领域。
福田敏男经过不懈地努力和创新,顺利创建了首个跨尺度协同生物组装微纳机器人,成功地实现了模拟真实人体的运作,制作出了人体最小的人工血管,将人造器官替代衰老器官,为众多患者带来了福音。
并且福田教授也在机器人仿生技术方面非常的深入,建立了机器人仿生研究技术,他在机器人领域的研究成果,大大地拓展了机器人研究的新领域,非常大程度上促进了人工智能领域的发展和建立,他也被称为“微纳机器人之父”。
投身中国,造福国人
现在,福田教授已经是七十多岁的高龄,处于耄耋之年,与大多数人印象中那些刻板的科学家截然不同,他非常平易近人,常常面带笑容与学生交流工作,与他相处起来也让人感觉很是轻松、愉快,是一位非常亲密又和蔼的老人。
福田教授脸庞上常常留有灰白的胡须,衬托出他的睿智和稳重。每天都戴着一副金边的眼镜,背后透出了一双深邃而又温柔的眼睛,科研工作者的学派风气十足。这副有着年代感的眼镜陪伴了福田教授半生之久,一路见证了他辛勤的工作和卓越的成就。
福田教授从1989年就开始担任大学教授,最初是在日本名古屋大学任职,并且在其任职期间还当选为日本科学议院的成员之一,期间他还担任了日本工程院院士。从2008年,福田教授来到了中国,并很快融入中国的环境,福田教授担任了北京理工大学的教授,开始了在北京理工大学教学和研究的生涯,在北京理工大学人们都亲切地称他为“老顽童教授”。
福田教授在中国的发展非常顺利和成功,他还荣获中国政府“友谊奖”。2017年11月,福田教授当选为中国科学院院士,成为外籍中国科学院院士中的一员。2019年4月,福田教授受西安交通大学的邀请,成为了西安交通大学的名誉教授。
福田教授为中国纳米机器人技术的崛起贡献了非常大的力量,其在纳米机器人领域的成就,给中国纳米机器人技术的顺速发展奠定了基础。很早美国就有一位非常著名的物理学家提出过,哪个国家能在未来掌握纳米机器人技术,哪个国家就掌握了未来医疗话语权。
半个世纪的军事领域乃至医疗领域独占鳌头,很大程度上取决于哪个国家率先掌握纳米机器人的技术。而正是这位一位来自日本的科学家——福田敏男教授,在中国纳米机器人的技术上的成就,让中国的纳米机器人的发展达到了国际领先的地位。
纳。金属材料一旦缩小到微纳米级别,材料性质将将会发生改变,主要呈现在表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应三大特点,微纳炉中覆盖的能够隔绝大量热度的金属就是纳金属的纳米形态。
此次成功发射的“启明星1号”微纳米卫星由武汉大学航天科技研究院主导。由遥感信息工程学院、遥感信息工程国家重点实验室、湖北珞珈实验室等空天信息相关单位合作,武汉大学测绘遥感相关中国科学院光机所、哈尔滨工业大学、陕西长岭华远空天技术有限公司、武汉珞珈伊云光电有限公司。
武汉云成卫星科技有限公司等国内关系院参与研发,全星重量19kg,配备可见光相机和红外相机,分别提供32光谱段高光谱影像、 获得8光谱段夜光图像和红外遥感图像,是我国首个可见光高光谱和夜光多光谱多模可轨道编程微卫星,业务执行后“启明星1号”是启明星系列星座规划的首颗卫星,该星座规划为多颗莉莉此次发射成功的“启明星”。
他其实也是以在校生为研发主体的微纳卫星,是武汉大学遥感学科教学从理论走向实践的重要举措,这个星球的研发历时两年,有50多名学生参加了设计、研发和测试。 卫星研制成功为武汉大学等单位推进遥感科学与技术学科交叉、培养遥感领域复合型人才发挥了重要作用同时也为国内外遥感相关专业老师和学生提供了开放的航天教育实验平台。
“微纳米卫星”是指体积和重量小的卫星。 “启明星一号”是我国首颗可见光高光谱和夜光多光谱多模轨道可编程微纳卫星,全星重约19kg,配备可见光相机和红外相机,可获取高光谱、夜光和红外遥感影像,“启明星一号”从2019年9月开始研制。为培养遥感领域复合型人才,项目从研发之初就决定让学生当主角。
以上的回答,是我个人的想法。
微米到纳米级别的物体是一种高新技术。可谓“科学绣花针"。微纳电子技术既考虑了微米科技的巨大潜力与作用,又着眼于纳米科技发展的前景,把‘纳’看作是‘微’的逻辑发展方向。又把‘微’与‘纳’米科技有机辨证的结合。
微纳,指的就是微米、纳米。1毫米(mm)=1000微米(um),1微米(μm)=1000纳米(nm)。和这样的“微”制造相比,传统的机械制造则属于“宏”制造了。
微米技术是信息技术的一个名词,主要用于提高集成电路的集成度和存贮信息量。1微米是1毫米的千分之一。但在微电子技术中,1微米可以容纳很多晶体管。
在硅芯片上制成晶体管集成电路,要在极小的面积上施工制造,最关键的技术是使晶体管的线宽要微缩,这样才能使晶体管和集成电路之间紧密地编织到最小的空间里。
纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。
纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是动态科学(动态力学)和现代科学(混沌物理、智能量子、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。
纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
蛮好就业的,激光微纳加工硕士毕业前景不错。
这个方向的就业形势不错 ,主要是光学仪器、光伏器件等类型公司。
微纳制造技术属国际前沿技术,作为未来制造业赖以生存的基础和可持续发展的关键,其研发和应用标志着人类可以在微、纳米尺度。
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