+ Thao tác với hạt: Sau khi gắp, ta điều khiển hạt nano ở chế độ 3D một cách tự do bằng cách sử dụng đầu dò, được điều khiển bởi mộtμ ống piezo có độ chính xác nanomet. Ở đây, để đơn giản, ta nâng hạt nano cỡ 2 m từ bề mặt chất nền và di chuyển nó đến vị trí xác định trước với sự trợ giúp của kính hiển vi lực nguyên tử (Hình 2e).
+ Thả hạt (Place): Sau khi di chuyển hạt nano đến vị trí được xác định trước, ta tắt điện áp đặt vào đầu dò và đưa hạt này xuống bề mặt. Hạt nano sẽ nhảy trở lại và hấp thụ vào chất nền (Hình 2g) vì bề mặt chất nền cung cấp một năng lượng hấp thụ lớn hơn đầu dị (E¿ > Etip) (Hình 2h). Cuối cùng, ta có thể nâng đầu dị lên khỏi chất nền và hạt nano sẽ ở lại trên chất nền. [23]
Đánh giá hệ thống
Hệ thống mới này đã thực hiện “Pick and Place” với những hạt có kích thước nhỏ bằng 1/3 so với kích thước bé nhất của hạt nano được sử dụng ở hệ thống đầu dò kép sử dụng thiết bị Haptic. Hệ thống mới này cũng đảm bảo được yêu cầu về độ chính xác trong q trình thao tác với hạt và điều này không phụ thuộc vào việc hiệu chỉnh kính hiển vi lực nguyên tử AFM. Tuy vậy, cải tiến này địi hỏi phải thiết lập lại một vài thơng số kỹ thuật so với hệ thống cũ để có thể hoạt động tốt. Việc áp dụng thêm những kỹ thuật về năng lượng và bề mặt như lắng động florua cũng làm hệ thống trở nên phức tạp hơn. Bên cạnh đó, phương án được đề xuất ở trên mang lại hiểu quả khoảng 90%, điều này có nghĩa là có 10% hạt nano được thả sẽ khơng nhảy trở lại chất nền hoặc sẽ có những hạt khơng gắp lên được.
Tóm lại, hệ thống này được phát triển dựa trên kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tự động để gắp và đặt các hạt nano đơn lẻ với kích thước nhỏ. Các lá nano được làm bằng các đầu dò AFM dẫn điện được phủ florua và cường độ tương tác giữa hạt và hạt có thể được điều chỉnh nhỏ hơn hoặc lớn hơn so với tương tác giữa chất nền và hạt bằng cách tắt hoặc bật điện áp đặt trên đầu dò. Hơn nữa, hệ thống này đã được tự động hóa tồn bộ quá trình gắp và thả bằng chương trình Python. Tuy nhiên, trong phạm vi của bài Case Study này, nhóm sẽ khơng đề cập. [23]
Danh mục tài liệu tham khảo
[1] Binoy Bera, Madhumita Das Sarkar, “Piezoelectric Effect, Piezotronics and Piezophototronics: A Review,” Imperial Journal of
Interdisciplinary Research (IJIR), tâp 2, sô 11, pp. 1407-1408, 2016.
[2] X. X. G. S. Li Sui, “Piezoelectric Actuator Design and Application on Active Vibration Control,” Physics Procedia, tâp 25, pp. 1388-1396, 2012.
[3] Nicolas Chaillet, Stéphane Régnier, Microrobotics for
Micromanipulation, 111 River Street Hoboken, USA: John Wiley & Sons, Inc, 2010.
[4] “nanomotion.com,” Nanomotion Ltd, [Trưc tuyên]. Available: https://www.nanomotion.com/nanomotion-technology/piezoelectric-effect/.
[5] C.S.Brown, R.C.Kell, R.Taylor and L.A.Thomas, “Piezoelectric Materials, A Review of Progress,” IRE Transactions on Component Parts, tâp 9, sô 4, pp. 193-211, 1962.
[6] KK Sappati, S Bhadra, “Piezoelectric polymer and paper substrates: a review,” 2018.
[7] Jürgen Maas, Dominik Tepel & Thorben Hoffstadt, “Actuator design and automated manufacturing process for DEAP-based multilayer stack-actuators,” 2015.
[8] H Zhou, B Henson, A Bell, A Blackwood, “Linear piezo- actuator and its applications,” 2001.
[9] Z Li, L Zhao, X Yu, “A novel stick-slip piezoelectric actuator based on two-stage flexible hinge structure,” 2020.
[10] TK Das, B Shirinzadeh, M Ghafarian, “Design, analysis, and experimental investigation of a single-stage and low parasitic motion piezoelectric actuated microgripper,” 2020.
Harvesters in Autonomous Systems,” 2013.
[12] QM Wang, X Du, B Xu, LE Cross, “Theoretical analysis of the sensor effect of cantilever piezoelectric benders,” 1999.
[13] S Zhang, Y Liu, J Deng, X Tian, X Gao, “Development of a two-DOF inertial rotary motor using a piezoelectric actuator constructed on four
bimorphs,” 2021.
[14] Y Zhang, Y Peng, Z Sun, H Yu, “A novel stick–slip piezoelectric actuator based on a triangular compliant driving mechanism, IEEE Transactions on Industrial,” 2018.
[15] Z Xu, H Huang, J Dong, “A stick-slip piezoelectric actuator with measurable contact force,” 2020.
[16] M Hammouche, P Lutz, M Rakotondrabe, “Robust and optimal output-feedback control for interval state-space model: Application to a two- degrees-of-freedom piezoelectric tube actuator,” 2019.
[17] X Gao, J Yang, J Wu, X Xin, Z Li, X Yuan, “Piezoelectric actuators and motors: materials, designs, and applications,” 2020.
[18] Zhijiang Chen, Xiaotian Li, Guoxi Liu, and Shuxiang Dong, “A two degrees-of-freedom piezoelectric single-crystal micromotor,” 2014.
[19] Mingsen Guo; Junhui Hu; Hua Zhu; Chunsheng Zhao;
Shuxiang Dong, “Three-degree-of-freedom ultrasonic motor using a 5- mm-diameter piezoelectric ceramic tube,” 2013.
[20] K Takemura, S Park, T Maeno, “Control of multi-dof ultrasonic actuator for dexterous surgical instrument,” 2008.
[21] Osamah M. El Rifai, and Kamal Youcef-Toumi, “Modeling of Piezoelectric Tube Actuators,” 2004 .
[22]Tobias Tiemerding, Soren Zimmermann and Sergej Fatikow, “Robotic Dual Probe Setup for Reliable Pick and Place Processing on the Nanoscale using Haptic Devices”, IEEE, 2014.
[23]Ya-Kun Lyu, Zuo-Tao Ji, Tao He, Zhenda Lu and Weihua Zhang,
“Automated pick-and-place of single nanoparticle using electrically controlled low-surface energy nanotweezer”, API Advances, 02/2021.