1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1选题背景与研究意义
1991年，碳纳米管被日本电子公司的sumio iijima发现，碳纳米管是由六边形结构排列的碳原子构成的，具有数层到数十层的同轴圆管，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的卷曲层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，按石墨烯片的卷曲方向不同可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchairform），锯齿形纳米管（zigzagform）和手性纳米管（chiralform），并且碳纳米管的手性与其导电性能有直接关系。
碳纳米管具有许多异常的力学、电学和化学性能：大多数的测量结果表明，碳纳米管的弹性模量高达1tpa，碳纳米管的抗拉强度的测量值可以达到45gpa，但密度只有1.33~1.4g/cm3，此外碳纳米管还具有良好的柔韧性，在被压扁后撤掉外界压力可以立即恢复形状。碳纳米管的导电性与其手性有关，以矢量ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中ch=na1 ma2，记为（n，m），一个给定（n，m）的纳米管，如果有2n m=3q（q为整数），则表现出金属性，是良好的导体，否则为半导体。对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。碳纳米管也具有优异的场发射性能、传热性能以及光学性能。
这些显著的特性保证了碳纳米管的广泛应用：其高强度的特性使它可作为超细高强度纤维,也可作为其它纤维、金属、陶瓷等的增强材料，在复合材料的制造领域中有十分广阔的应用前景。其独特的导电性使碳纳米管可用于超导线材和大规模集成电路，并且，通过连接不同直径和手性的碳纳米管可能导致集成电路的进一步收缩。碳纳米管也是很好的储氢材料，可用作氢燃料汽车的燃料“储存箱”。
此外，碳纳米管的优异性能在制作纳米机械电子器件上表现出巨大的潜力，碳纳米管的影响最为深刻的应用在于单根的碳纳米管可以用于构建复杂的纳米机电系统。例如，将碳纳米管安装在硅悬臂梁上，可以用作原子力显微镜（afm）的探针，碳纳米管探针提高了原子力显微镜的空间分辨率，并且可以避免发生针尖碰撞；将两个碳纳米管放置在玻璃纤维上，两个碳纳米管在两管之间的静电相互作用驱动下可以构建纳米管钳；使用一根打开的多壁碳纳米管可以制造纳米管直线轴承；使用单根单壁碳纳米管可以制作化学传感器；在纳米电子学中，单根单壁碳纳米管可以用于制作室温场效应管；通过连接不同直径和手性的碳纳米管分子构成的纯纳米管电路可能导致集成电路的进一步收缩。
碳纳米管在纳米机械电子系统中的重要应用还有很多，碳纳米管在几乎所有的纳米电子学和nems的应用中，都涉及到对碳纳米管的表征、放置、变形、修改、和连接，在纳米机电系统的制作过程中，我们要测试纳米管的力学、电学性质并分类、选择具有合适性能的碳纳米管，首先需要从一簇碳纳米管中拾取单根碳纳米管，然后使用单根碳纳米管组装纳米机电器件。由于cnt的直径在纳米量级，而长度却在微米量级，在范德华力、静电力等多种纳观力复杂耦合的情况下，多根cnt弯曲缠绕在一起形成cnt簇，因此，在cnt簇中实现单根cnt的有效拾取是一个充满挑战性的关键问题。
1.2国内外的研究现状
目前，纳米操作技术主要应用在对纳米尺度微观现象的探索和纳米器件的制造，纳米操作技术对于纳米材料的性能测试、纳米器件的制造装配而言，是一种基础且重要的技术。一般来说，纳米操作技术主要是对纳米尺度研究对象的抓取、放置和操纵。纳米操作策略主要有两种：1、基于扫描探针显微镜（spm）的操作技术；2、基于电子显微镜和纳米操作机器人的操作技术。基于扫描探针显微镜的纳米操作技术使用的操作平台包含有：扫描隧道显微镜（stm）以及原子力显微镜（afm）。
1.2.1基于spm的纳米操作系统
扫描探针显微镜（spm）在发明之初用于样品的成像，但很快人们发现spm可以用于操纵样品，spm平台类似于一个具有三个自由度的机器人，spm通过探针尖端与原子间的相互作用力对原子进行操作，传统的spm具备空间定位能力，即可以确定针尖的（x,y,z）坐标，但其不具备对针尖的定向能力。基于spm的纳米操作有很多问题，这些问题主要是由于空间不确定性引起的，包括尖端几何形状的影响，以及压电致动器的漂移，蠕变和迟滞效应等问题。

世界上第一个纳米操作实例是eigler和schweizer于1990年，在高真空环境和4k的极低温度下，通过扫描隧道显微镜操纵单个氙原子形成“ibm”的图案，如图1所示后续ibm公司在2012年，通过扫描隧道显微镜操作12个铁原子储存一个字，操纵96个铁原子存储一个字节，使得存储密度相较于硬盘提升了1000倍，如图2所示；北卡罗莱纳大学的guthold课题组研制的与虚拟现实界面结合的基于spm的纳米操作系统可以对碳纳米管进行操作实验；密歇根州立大学的席宁教授课题组运用交互式纳米操作方法，搭建了具有力反馈和视觉反馈的基于afm的交互式纳米操作系统，实现了碳纳米管的操作过程。

图1-1：操纵氙原子形成“ibm”图案 图1-2：基于纳米操作技术的铁原子存储器

2. 研究的基本内容与方案

本文设计了基于扫描电子显微镜的纳米操作系统，在扫描电子显微镜内有限的样品室空间中，安装多自由度机器人化纳米操作平台，设计满足碳纳米管拾取的微纳米操作平台结构，满足不同姿态碳纳米管的拾取需求；针对用于碳纳米管拾取的末端执行器特有的结构和使用方法，设计实现末端执行器稳定夹持、同心旋转与快捷更换夹持机构，并根据纳米操作平台的机构部分设计相应的电气回路，使sem中位于真空腔室的样品台可以满足向大地的导电需求；针对纳米操作机器人的末端执行器进行运动学分析，建立多机器人运动学模型。利用设计的纳米操作平台，进行碳纳米管的拾取实验。研究内容具体如下：

1)多自由度机器人化纳米操作平台总体设计

在sem下完成碳纳米管在三维空间内的复杂操作，需要有一个高精度、多自由度、有足够操作空间的操作平台，本文设计了集成在sem的真空腔内的多自由度机器人化纳米操作平台，设计了可以实现末端执行器稳定夹持、快捷更换、可在旋转中保持通电的夹持机构。

3. 研究计划与安排

1-3周：

学习sem的操作方法，学会分析如何调整sem图象的象质。

学习纳米操作器的运动学分析，建立运动学方程并作matlab仿真。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]toshio fukuda et al. micro-nanoroboticmanipulation system and their application [m].

[2]nathan a. weir, dannelle p. sierra, and james f.jones. a review of research in the field of nanorobotics [m].

[3]toshio fukuda, f. arai, and l. dong, “assemblyof nanodevices with carbonnanotubes through nanorobotic manipulations,” proc.ieee, vol. 91,no. 11, pp. 1803–1818, nov. 2003