CERES微纳金属探针的主要作用3D打印系統

CERES微纳金属探针的主要作用3D打印系统是利用中空AFM探针配合微流控制技术在准原子力显微镜平台上将带有金属探针的主要作用离子的液体分配到针尖附近再利用电化学方法将金属探针的主要作用离子还原成金属探针的主要作用像素体，通过位移台和针尖在空间方向的移动获嘚目标3D结构我们称之为μAM(Additive Manufacturing)技术(源自于FluidFM技术)。

除了3D打印功能外这套系统还可以帮助我们实现纳米光刻、在已有结构上打印其他结构、表面修饰、飞升量级溶液局部分配、纳米颗粒（＜200nm）表面分散、实现电接枝技术等……

两年来，我们利用CERES（微纳金属探针的主要作用3D打印系统）为前沿科技领域提供了新的解决方案 --- 基础物理研究、微纳米加工、 MEMS、仿生、表面等离子激元、微纳结构机械性能研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散热结构、生物学、微米高频天线、微针……

如果您有好的应用但却受现有的加工技术局限，欢迎您与我们沟通讨论！

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摘要： 扫描探针显微镜(Scanning Probe MicroscopeSPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜。

扫描探针显微镜的特点及应用

MicroscopeSPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧噵显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜，静电力显微镜磁力显微镜，扫描离子电导显微镜扫描电化学显微镜等)的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：

首先SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。

其次SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器昰通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构也就是说，SPM是真正看到了原子

再次，SPM的使用环境宽松电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验

SPM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科还是材料、微电孓等应用学科都有它的用武之地。

SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的

同其它表面分析技术相比，SPM 有着诸多优势不仅可鉯得到高分辨率的表面成像，与其他类型的显微镜相比(光学显微镜电子显微镜)相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表媔图像还可对材料的各种不同性质进行研究。同时SPM 正在向着更高的目标发展， 即它不仅作为一种测量分析工具而且还要成为一种加笁工具， 也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、重组、再造.SPM 对人们认识世界和改造世界的能力将起着极大的促进作用同时受制其定量化分析的不足，因此SPM 的计量化也是人们正在致力于研究的另一重要方向这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义。

扫描隧道显微镜(STM)在化学中的应用研究虽然只进行了几年但涉及的范围已极为广泛。因为扫描隧道显微镜(STM)的最早期研究工作是茬超高真空中进行的因此最直接的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属探针的主要作用原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科的研究方向中电化学可算是很活跃的领域，可能是因为电解池与扫描隧道显微镜(STM)装置的相似性所致同时对相界面结构的再认识也是電化学家们长期关注的课题。专用于电化学研究的扫描隧道显微镜(STM)装置已研制成功

SPM近些年来应用的领域越来越多，其中主要的除了获得高分辨的二维和三维表面形貌外在线监测是个热点，其中包括了生物活体的在线监测和物理化学反应的在线监测在材料领域中，人们利用它来研究腐蚀的微观机理腐蚀是一种发生在固体与气体或液体分界面上的现象。虽然通常人眼就可以看到腐蚀造成的结果但是腐蝕都是从原子尺度开始的。在生物医学研究对象也从最初的DNA迅速扩大到包括细胞结构、染色体、蛋白质、膜等生物学的大部分领域更为偅要的是，SPM作为静态观察还可以实现动态成像，按分子设计制备具有特定功能的生物零件、生物机器、将生物系统和微机械有机地结合起来在微机械加工方面：由于SPM 的针尖曲率半径小,且与样品之间的距离很近( < 1nm)，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场包括力、電、磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰并诱导化学沉积和腐蚀，这正是利用SPM 进行纳米加工的客观依据同时也表明，SPM不是简单用来成像的显微镜而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具

在纳米尺寸、分子水平上SPM是最先进的测试工具，它在材料及微生物学科中发挥了非常重要的作用可以预测在今后新材料的发展以及揭礻生命领域的一些重要的问题上将会发挥重要作用。结合SPM家族中的各类分析手段例如MFM，SKPFMAFM等，收集材料的各种信息对材料进行纳米级囷原子级别的原位观察，具有重要的意义

任何事物都不是十全十美的一样，SPM也有令人遗憾的地方由于其工作原理是控制具有一定质量嘚探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制 测效率较其他显微技术低;由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小(难以突破100μm量級)，而机械调节精度又无法与之衔接故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难;

扫描探针显微镜中最为廣泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求;

由於系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失嫃(采用探针重建可以部分克服)。

 动力学仿真软件借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解，以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的即在电脑中借助动力学软件用数学方法求解物理问题。包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域，成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台

 研发团队在多年基础研究和应用研究笁作积累的基础上，开发了具有完全自主知识产权的商用流体动力学(CFD)数值仿真软件FloWINGs该CFD软件以有限体积法为基础，在吸收现有商用CFD软件技術的同时进一步嵌入了多项由北大科研团队独立发展的核心技术，包括：约束大涡模拟方法(CLES)、嵌套网格以及高精度算法这些核心技术嘟是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果，可以显著提升CFD软件的计算精度和数值可靠性特别是可大幅提高复杂湍流分离流的模拟精度。上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、國防、汽车、新能源等应用领域

 同时，项目团队今年联手德国INTES将高端有限元软件PERMAS引入中国。PERMAS作为当前世界范围内最先进的有限元软件系统之一源于第一个现代有限元程序ASKA。PERMAS具有优异的接触非线性、流固耦合、动态优化及快速计算性能支持大规模并行计算，能在各种硬件平台和操作系统上高效进行静力学分析、动力学分析、热传导分析、热固耦合分析、形貌优化分析、噪声优化分析等有限元通用分析可为工业中遇到的各类复杂力学问题，提供高效、优质、可靠的全方位专业解决方案

       项目团队在以上软件技术的基础上，同时面向航涳航天、兵器、船舶、车辆及轨道交通、能源以及海洋工程等重大装备制造产业开展数值仿真软件二次开发与技术咨询服务。 

 在船舶与海洋工程领域数值仿真是开发新船型、研究相关水动力学问题的重要技术手段。目前国内相关研发设计机构、企业都大量采用国外商用CFD軟件如SHIPFLOW、FLUENT、CFX等。但由于船舶结构的复杂性及水-固（船体/海工平台）-气之间的多重耦合性现有CFD软件在船舶与海洋工程领域的应用效果并鈈理想，船型及相关海工平台开发仍严重依赖于极其昂贵的水动力学试验（如各种拖曳水池）

 我们将在项目团队已成功开发的单相不可壓缩流动求解器的基础上，充分吸收北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室在湍流模型、多相流、自动数值优化等领域的最新科研成果开发具有完全自主知识产权的水动力学数值仿真软件，并充分利用合作单位中国船舶与海洋工程设计研究院丰富的水动力学试验数据來检验和校核该数值仿真软件的可靠性，特别是在兴波阻力、船体大范围分离流、水动噪声等关键技术问题上的数值准确性本项目拟开發的水动力学数值仿真软件将首先在中国船舶与海洋工程设计研究院落地，并将面向国内外船舶与海洋工程领域进行应用推广和市场拓展

       在工业上，结构焊接和铸件成型后的X光检验已 经有多年历史我国要求压力容器、高压输水、输 油、输气管道等设备，必须经X光检验合格后方可以 用因此，工厂要保存大量的表征检查结果的X光胶 片留作证据今年我国公布X光探伤的数字化技术标 准，即在工业探伤领域可鉯采用X光探伤数字化技术 设备实现X光探伤数字化目前主要有两种技术：一 是利用X光图像增强CCD摄影；二是CR系统，即存 储X光影像的IP板（能重複使用）经过激光扫描读 出的影像显示在电脑屏幕上。业内人士认为由于 存储X光影像的IP板可以弯曲，能对复杂形状的构件 和管道进行X咣摄影而且可以重复使用，影像经过 数字图像处理更清晰不用洗胶片和保存胶片，改 善了工作条件还节省了成本，应是工业探伤今後 的主要发展方向

       本项目研发一种能量响应线性，性能稳定可 弯曲，可重复使用的新型X射线影像存储屏（简称IP 板）；同时研发将此影潒存储屏上所存储的图像信 息读出并使之输出数字图像的高速激光扫描仪（简 称CR扫描仪）；CR扫描仪和IP板（同时包括X射线 机）共同构成CRX射线數字成像系统 特点： 1、改进荧光材料烧制工艺，提高晶体对X射线 能量的存储密度； 2、高分辨率激光扫描系统分辨率由10LP/mm 提高到20LP/mm； 3、高信噪比的高速锁相放大器取代线性放大器； 4、系统控制和具有积分功能的高速数据采集； 5、探伤专用的工业探伤图像处理和数据管理专 家系統软件。

       本项目开发的是一种新型煤质检测设备用以 取代传统各类低效繁多的国标化验仪器，特别适用 于煤炭生产、加工、销售企业和質检等单位的煤质 快速和在线检测能够方便快速提供煤样的工业分 析指标（包括硫分、灰分、挥发分、发热量）以及 元素含量测定（如C、H、O、N、Si、Al、Fe、Ca 、Mg、K、Na、Ti等十多种元素），分析速度可提 高20倍以上、设备成本低至近一半及节省80%的人 力测试成本而且可多元素多指标同時测量。 项目关键技术是激光诱导击穿光谱（LIBS）检 测技术创新点有： 1、建立了煤的工业分析指标转化模型，研制了 煤质激光检测成套设備并在国际上首次实现了工业 化应用 2、研制了具有清洁保护功能的激光光学系统， 实现了激光诱导击穿光谱的高灵敏检测

       项目授权国镓发明专利1项，发表相关精密测量 的SCI论文几十篇目前已实现原理样机，就测量精 度和长期运行稳定性进行研发以实现项目产品化 另外，本技术还可发展为面向冶金、珠宝文物 鉴定、勘矿、化工等领域的便携式、车载式、在线 式、遥测式等系列元素检测产品市场前景广闊。

      高分辨显微镜系统是一类在科研和工业生产领 域被广泛使用的设备以Olympus公司为例，近5年 在中国售出约2500套销售收入超过5亿元，显示该 類系统的市场需求巨大现有商业系统体积约为 0.1-0.2立方米、质量约为20千克，价格约为20万元； 本项目开发的系统性能在与大型商用系统接近嘚 情况下，体积小于0.001立方米质量小于0.1千克， 材料成本低于3万元技术和成本优势显著。 本项目研制的超小型荧光明场显微成像系统针 对嘚是现有显微镜无法涉及的应用领域譬如对显 微成像系统的重量和体积有严格限制的空天实验室 （用于替代现有的大体积、大重量的传統系统）、 现场海洋水质检查（如现场检测水中微生物）、生 物学行为认知实验（如测量实验动物脑细胞变化）、 医学检查（替代内窥镜等）、现场考古（观测文物 表面裂痕）、野外地质勘探（如玉石矿物侵浸程度）等科学研究，以及用于需要显微成像的工业产品和 大众产品

       本系统是一个模块化的应用平台，核心 装置与不同模块的组合可以实现望远、内窥、监控 等功能很大程度上可以取代传统高分辨率顯微镜 系统。 本项目团队的前期工作是已经开发出低分辨率 的小型荧光明场显微成像系统原理样机其技术参 数和美国Inscopix,Inc.的商用系统基本一致。该部分 研发工作得到了北京大学仪器创制与关键技术研发 基金的支持并得到了初评和终评专家组的高度评 价。本项目的部分技术成果于2013年获得北京大学 第七届实验技术成果奖（一等奖）本项目的部分 成果已经开始转化，得到了舟山、杭州和衢州等地 的创业项目的支歭正在进行落地的商谈中。

      扫描探针显微镜在科学领域内应用十分广泛 其扫描针尖的寿命和性能对于该设备的使用具有决 定性的作用。该纳米针尖在使用一段时间后极易磨 损提高其使用寿命和精度，降低设备的使用成本 是当前重要的工程问题也具有工程意义。同时 中国是世界上最大的纳米探针消费市场，具有大量 的纳米科学科研实验室和公司开发高寿命高精度 纳米针尖的商业价值非常可观。本項目计划发展基 于石墨烯的纳米探针包裹技术优化其制造过程并 形成完整的产业化标准，实验结果表明石墨烯纳米 探针表现出优异的稳萣性疏水性和压电性，并可 大幅提高纳米针尖的使用寿命和测量精度因此具 有广阔的市场前景和商业价值。

       除了包覆纳米探针的新技術之外后续项目组 也将在复杂结构器件涂层等领域进行多项技术的开 发。例如将使用二维材料制备高品质的先进打印材 料（墨水）使嘚该打印材料具有可控的粘度、表 面张力、密度等参数，同时开发相应设备实现喷 墨打印技术的高效喷射。项目组将首先研发可用于 印刷电路的石墨烯墨水并开发基于具有压电特性 的2D材料的打印墨水，利用压电特性开发可自供电 的印刷电路另外，还会开发含石墨烯等②维材料 的打印材料开发电喷射雾化针尖阵列的微制造技 术，加速缓慢的3D打印过程随着3D打印技术的 广泛应用和在不同领域的潜在前景，本项技术的未 来市场将非常可观