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2020年  第2卷  第1期

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综述
金刚石刀具在黑色金属金刚石切削中的化学磨损及其抑制研究综述
Guo Jiang, Zhang Jianguo, Pan Yanan, Kang Renke, Namba Yoshiharu, Shore Paul, Yue Xiaobin, Wang Baorui, Guo Dongming
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab5d8f
摘要:

由于其优异的物理和材料力学性能,金刚石刀具在超精密加工中发挥着重要作用,比如其刃口可锐化到纳米级精度。然而,金刚石与非金刚石可切削金属元素(包括Fe、Cr、Ti、Ni等)之间的磨粒化学反应会导致这些金属及其大部分合金在金刚石切削过程中产生过度的刀具磨损。本文综述了金刚石刀具在黑色金属切削加工中的化学磨损以及磨损抑制的最新研究成果。重点介绍了金刚石刀具的磨损机理,以及黑色金属金刚石切削中常用的减少磨损的方法,包括超声振动切削、低温切削、表面氮化和等离子辅助切削等。同时本文介绍了相关的商用设备,并对未来金刚石刀具磨损抑制的研究趋势进行了探讨。

Cu/C基板复合材料界面控制与性能提升研究进展
Jean-François Silvain, Jean-Marc Heintz, Amélie Veillere, Loic Constantin, Yong Feng Lu
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab61c5
摘要:

21世纪初,与纯金属或合金相比,金属基复合材料(MMC)因其优异的物理、机械、热、电性能而备受人们关注。研发金属基复合材料的兴趣源于其自身特性,尤其是可以根据增强体的性质和浓度定制其性能。金属基复合材料被广泛应用于工业领域,其中航空航天、汽车、电子等为重点应用领域。

电力电子器件中功率和封装密度的不断增大导致热耗散问题。近几十年来,人们对开发高导热(TC)、低膨胀系数(CTE)的高效散热材料提出了重大需求。为满足这一需求,须在保证功率模块可靠性的同时,制造出与电子芯片兼容的材料。在众多金属基复合材料中,铜(Cu)和铝(Al)是热管理应用中最先进的复合材料(如基板、散热器和换热器)。通常碳材料(C)由于其高导热和低膨胀系数值而被添加到金属基体中, 如碳纤维、金刚石、石墨烯或碳纳米管等。与目前的电子封装相比,Cu/C和Al/C复合材料已经表现出优越的性能。根据增强体的体积分数,可观察到较低且可调整的膨胀系数(例如,随着C浓度增加,膨胀系数降低),其高散热性能优于商用热交换器。轻质增强体的加入降低材料密度,使其在航空应用上更具吸引力。最后,对温度升高时的高硬度进行测试,结果表明高温应用下具有尺寸稳定性。此外,值得注意的是,金属基复合材料的最终性能不仅取决于材料的主要成分,还取决于制造方法。

本文回顾了基于粉末冶金和单轴热压的Cu/C复合材料制备技术。热分析表明,所有加工方法都需要进行界面处理来获取高热性能和高热机械性能。本文通过新的表面处理方法,如界面生成以及独特的加工方法对界面控制进行了深入综述。同时,对基体与增强体之间的热传递进行了综述。本文表明适当界面控制能形成正确的化学/机械结合,进而提高Cu/C复合材料的热性能和热机械性能。

放射肿瘤学中的增材制造:临床实践、发展趋势和研究空间
Rance Tino, Martin Leary, Adam Yeo, Elizabeth Kyriakou, Tomas Kron, Milan Brandt
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab70af
摘要:

增材制造(AM)工艺在工程和个性化医疗的跨学科研究中发挥着重要作用。目前用于放射治疗的商用临床工具主要基于传统的制造工艺,该工艺常常导致非共形的几何形状、制造工艺长和成本高昂。因此,采用增材制造技术探索临床工具设计与开发已成为新兴研究,用以优化癌症患者放射治疗效果。本综述包括以下内容:

• 着重论述了增材制造技术在患者放射治疗中的专用工具快速成型制造的优势; 

• 探讨了包括放射治疗工具的常见临床工作流程,如剂量,补偿器,拟人化幻影,防盗系统和近距离放射治疗模具;以及 

• 研究了学者如何利用现有的增材制造工艺来实现患者类组织成像和剂量衰减; 最后,本文着重介绍了增材制造在该领域的重大研究机遇,以期为放射治疗在诊断和临床研究应用方面的未来发展提供参考。

基于放电涂层技术的表面改性与功能化研究综述
Pay Jun Liew, Ching Yee Yap, Jingsi Wang, Tianfeng Zhou, Jiwang Yan
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab7332
摘要:

硬质涂层在工业中需求广泛,以保护承受极高温度、压力、化学腐蚀等恶劣环境的机械/结构部件。放电涂层(EDC)是一种新兴的表面改性技术,通过放电在工件表面涂覆一层材料来改善和增强表面特性或产生新的表面功能,从而制备出这种硬质涂层。本文综述了应用于各种材料的放电涂层技术,总结了放电涂层工艺的类型、关键参数以及所得涂层的特点,并系统总结了放电涂层工艺的基本原理和关键特性,以及放电涂层工艺的应用和未来发展趋势。

上海光源软X射线干涉光刻最新进展
Jun Zhao, Shumin Yang, Chaofan Xue, Liansheng Wang, Zhaofeng Liang, Lei Zhang, Yong Wang, 吴衍青, Renzhong Tai
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab70ae
摘要:

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1.文章导读    

同步辐射不但在物理、材料、生命科学等研究中发挥着重要的作用,而且还在极端制造领域发挥着自己独特的作用。吴衍青研究员介绍了上海同步辐射光源(简称上海光源)以软X射线干涉光刻技术(简称XIL技术)为核心的极端制造技术的最新进展。在微纳制造领域,XIL是一种独立于主流极端制造技术的独特并行制造技术。它专注于制造严格周期的图案。此外,还可以有效地获得大面积的高分辨率纳米结构。该技术目前已广泛应用于极紫外(EUV)光刻胶检测、纳米光学和纳米磁学等研究领域。中国科学院上海高等研究院/中国科学院上海应用物理研究所的吴衍青研究员、邰仁忠研究员、赵俊、杨树敏、薛超凡等作者在《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)创刊号上发表《上海光源软X射线干涉光刻最新进展》综述,系统介绍了软X射线干涉光刻技术的研究背景、最新进展及未来展望。 

2.研究背景    

软X射线干涉光刻(XIL)技术是利用两束或多束相干软X射线光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光的新型先进微、纳加工技术,可以开展几十甚至十几个纳米周期的纳米结构加工。与其他光刻等方法相比,XIL技术具有分辨率高、无邻近效应、无污染、产出高等优点,可以更可靠地获得大面积、高质量的亚50nm的高密度周期性纳米结构。上海光源软X射线干涉光刻线站于2013年对用户开放。该线站的建设,旨在利用利用软X射线低发射度、高亮度和高相干性的优点,在上海光源建立一个高效率、低成本、高精度的纳米加工技术平台。国际上,瑞士光源的XIL-II线站和日本New SUBARU光源的BL-9线站都基于该技术也开展了大量的相关研究工作。吴衍青研究员将上海光源XIL线站在该项技术发展上最近所做的相关工作逐一地进行了详细的介绍。     

3.最新进展    

上海光源软X射线干涉光刻线站基于激光干涉仪,建立起一套精确的振动评估系统。曝光系统振动情况的量化评估为后续的减振手段提供了指引,最终将实验站曝光系统的振动控制在RMS值2.5 nm以下,为干涉曝光实验奠定了良好的硬件基础。在此基础上,该线站发展了高级次衍射干涉光刻、大面积拼接深度曝光和并行直写泰保光刻等实验方法。提升了线站的曝光分辨率、曝光深度和曝光面积等指标,还实现了复杂周期性图形的曝光。

高级次衍射干涉光刻方法    是采用二级及其以上级次衍射光束进行干涉光刻的曝光方法,可以实现曝光图案周期相对于原掩膜光刻周期1/4的倍缩。如图1所示。 目前图案半周期(HP)约25nm。该技术已用于EUV光刻胶检测。

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图1 高级次衍射干涉光刻方法(a)高级次衍射干涉光刻的原理图(b)采用高级次衍射干涉光刻获得HP=25nm的光刻胶周期图案的SEM图

大面积拼接深度曝光方法    一种基于高次谐波在线对准的大面积拼接深度曝光技术,如图2所示。采用该方法,用户能在硅、氮化硅或YAG晶体等衬底上快速制备大面积(平方厘米级)的纳米周期图案。

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图2 大面积拼接深度曝光方法(a)方法原理图(b)实验装置图(c)实验结果

EUV并行直写泰保光刻方法    讲述了一种基于纳米位移平台的并行直写光刻方法,以实现复杂单元严格周期图案的曝光。如图3所示。该技术可用于超表面研究及应用。

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图3 并行直写泰保光刻方法(a)方法原理图(b)制备的复杂单元纳米周期性图案

4.未来展望    

极紫外光刻胶是极紫外光刻技术的一个重要组成部分,也是国内的一个研究热点和急需解决的“卡脖子”技术之一。软X射线干涉光刻技术应用于极紫外光刻胶的检测是目前国际上最先进的表征方法,该方法将在极紫外光刻胶的研发中将发挥重要作用。上海光源基于软X射线干涉光刻线站已初步建立起极紫外光刻胶敏感度、分辨率、边缘粗糙度及曝光产气等重要指标检测的完整极紫外刻胶评估检测平台,来自国内的多个研究课题组已基于该平台开展了大量的工作,并已取得了一些显著的进展。如图4所示。

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图4 上海光源用户基于软X射线干涉光刻线站开展的极紫外光刻胶性能评估工作 

半导体和激光单晶晶体在极小尺度下的形变和去除
Yueqin Wu, Dekui Mu, 黄含
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab7a2a
摘要:

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1.文章导读      

半导体和激光单晶晶体硬度高、脆性大,属于典型的难加工材料。因此,精密磨削技术是上述单晶材料平坦化过程中提高表面完整性和尺寸精度、缩短后续抛光过程所需时间的关键技术,直接影响单晶衬底制造成本。深入了解这些晶体的受力形变和去除机理,是开发高效磨削技术的前提。为此华侨大学吴跃勤、穆德魁,澳大利亚昆士兰大学黄含教授等在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《半导体和激光单晶晶体在极小尺度下的形变和去除》的综述。该论文介绍了相应的研究背景、最新进展,总结了若干代表性半导体和激光单晶晶体在极小尺度下的形变和去除特性,系统介绍了应用透射电子显微(TEM)技术研究半导体和激光单晶晶体在纳米压痕、纳米划痕及纳米磨削中的形变和去除机理,讨论了加工条件与去除行为之间的关系,为进一步发展这些晶体的磨削技术提供理论指导。

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图1 综述的总体框架。

2.研究背景      

半导体和激光晶体是现代电子和光子器件的基础材料,广泛应用于通信、能源和医疗工业。熔体生长单晶技术的发展使大规模生产硅(Si)、砷化镓(GaAs)和氧化镓(Ga2O3)等半导体,以及钇铝石榴石(YAG)和钆镓石榴石(GGG)等激光晶体的大尺寸单晶锭成为可能。通常情况下,为了使其能够应用于光电器件,需要制备具有高表面质量和尺寸精度的衬底。考虑到半导体和激光单晶晶体的硬脆特性,常采用磨削方法对切片后的基片进行平整化处理,并在进一步抛光前达到一定的表面质量。因此,对这些单晶材料在多尺度加载条件下的变形和去除行为进行了广泛的研究。然而,这些单晶材料在极小尺度下由机械载荷引起的缺陷的形成和演化仍然需要系统的研究。本文系统地总结了半导体和激光单晶晶体中机械加工引入晶体缺陷的形成和演化过程,研究了它们在不同磨削条件下对特定单晶的形变和去除机制的影响。

3.最新进展      

半导体和激光单晶晶体在加工过程中的形变和去除机理比较复杂,特别是要理解极小尺度下的形变则更具挑战。因此,使用纳米压划来模拟精密/超精密加工过程中涉及的磨粒和工件材料的相互作用。在此基础上,通过研究晶体缺陷在可控机械载荷作用下的形成和演化等,深入了解机械载荷作用下晶体在原子级别的形变和去除行为。本文详细介绍了Si、GaAs、β-Ga2O3、YAG和GGG等单晶材料在纳米压痕、纳米划痕和纳米磨削中的形变和去除特性。

首先介绍了典型半导体和激光单晶的晶体结构。然后重点介绍了纳米压痕和纳米划痕作用下典型半导体和激光单晶晶体的形变。通过使用已知形状的纳米压头与工件材料的作用,简化受力模型,理解工件材料在准静态作用力下的形变机理。典型案例如图2所示,β相氧化镓(β-Ga2O3)在不同载荷的纳米压痕作用下的形变行为。通过使用纳米压痕/划痕实验,实现了对半导体和激光单晶晶体的受力形变的深入理解,理清了各种晶体缺陷、相变等的产生顺序及临界条件。

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图2 尖端半径为1微米的金刚石压头在单晶β-Ga2O3表面,使用不同载荷得到的纳米压痕的横截面高倍TEM图像。

相对于纳米压划,纳米磨削过程更加复杂,工件材料经过多颗磨粒反复摩擦、耕犁、切削,所产生的形变也必将更为复杂。前述纳米压痕及纳米划痕研究得到的半导体和激光单晶晶体的形变和去除机制的知识,可以作为理解磨削引入形变的依据并进一步优化磨削工艺。为了获得高精度的表面,采用超细金刚石磨粒砂轮来实现延性域去除。典型案例如图3所示,单晶β-Ga2O3的纳米磨削样品的TEM表征显示,在使用12000号的砂轮磨削时,其引入亚表面损伤主要由层错、纳米晶和非晶相等组成。另一个案例是单晶YAG中纳米磨削引入的亚表面损伤,如图4所示,占主导地位的是沿着(001)晶面的滑移,伴随着层错、位错及晶格畸变等。我们还进一步揭示了磨削热在影响形变和去除特性上的作用。

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图3 使用12000号砂轮磨削的单晶β-Ga2O3亚表面损伤的TEM图。

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图4 使用6000号砂轮磨削引入的单晶YAG亚表面损伤的TEM表征。

4.未来展望      

随着TEM样品制备和先进表征技术的发展,对半导体和激光单晶晶体等硬脆材料在极小尺度下的形变和去除机理的深入理解成为可能。这篇综述也表明,高效磨削技术的开发与发展得益于从纳米力学研究中获得的对于形变和去除机理的全面理解。

研究论文
水下持久气泡辅助飞秒激光微纳米双尺度复合织构
张东石, Bikas Ranjan, Takuo Tanaka, Koji Sugioka
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab729f
摘要:

本文提出了一种新型水下持久气泡辅助飞秒激光微纳米双尺度复合织构化工艺。此种工艺能产生具有尾部的同心圆状毫米级宏观结构。尾状宏观结构是由多层扇形(中心角45-141°)复合微纳米结构组成。这种结构的形成是由于在“弓”字型扫描过程中动态气泡所引起的扇形衍射导致的。衍射同时还导致了入射光≥50°方向偏转,使垂直入射激光加工变成了倾斜激光加工。同心圆宏观结构是由静态气泡引起的,包含低/高/超高周期性纳米结构,周期分别为550–900, 100–200, 40–100 nm。40 nm周期,小于1030 nm激光波长的1/25,是目前在硅上可制备的最小表面周期结构。此工艺无需掩模版并且成本低廉,不仅为激光复合微纳米双尺度织构化提供了新的可能性,也同时丰富了激光加工工艺的多样性。

用于制造 X 射线荧光分析全反射镜的高质量表面精磨工艺
Hitoshi Ohmori, Shinjiro Umezu, Yunji Kim, Yoshihiro Uehara, Hiroshi Kasuga, Teruko Kato, Nobuhide Itoh, Syuhei Kurokawa, Takayuki Kusumi, Yugo Sugawara, Shinsuke Kunimura
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab7a29
摘要:

研究论文 ● 开放获取阅读更多

1.导言    

X 射线反射镜是一种能反射和聚焦短波长 X 射线(束)的反射光学元件,广泛应用于各种分析仪器中。为了有效表征 X 射线的光学和物理性质,各种反射镜形态须达到平均粗糙度在亚纳米级的高表面精度。便携式 X 射线元素分析仪基于全反射 X 射线荧光 (TXRF) 分析技术构建,应用于需要超痕量分析和高质量反射镜等多个领域。此类反射镜呈平面形态且尺寸小,由于其成本限制,需要提高生产率。另外,镜面需高度平滑,平均粗糙度范围应控制在几纳米之内。反射镜材料可选择硅、玻璃碳和石英玻璃。上述严格要求表明,必须采用创新的新型抛光工艺,将工序数量控制在合理范围内,并在有限时间内实现规定的表面粗糙度和质量。

本文研发了一种高效抛光的新型研磨工艺,使便携式 TXRF 光谱仪专用全反射镜的实际生产成为可能。

2.研究背景    

电解修整法研磨    

我们将先前研究中利用电解修整法进行精磨的方法应用于反射镜抛光;采用对砂轮和工件主轴使用空气静压轴承的旋转平面研磨机进行了实验。使用光学表面测量仪对每个工件(反射镜)的表面粗糙度(形状)进行测量,然后计算平均值,并与使用其他砂轮和抛光方法的情况进行对比。研磨后进行化学机械抛光(CMP)以减少磨痕。 

便携式全反射 X 射线荧光 (TXRF) 分析仪    

图1为研究中前期开发的便携式 TXRF 光谱仪及其构造。入射 X 射线受到 X 射线反射镜的全反射时,分析物中的原子受到入射和反射 X 射线的激发,发出荧光 X 射线。然后通过 X 射线探测器分析发出的荧光 X 射线,生成分析物成分的光谱。图1还展示了便携式 TXRF 光谱仪的内部视图。钽阳极 X 射线管作为 X 射线源,石英玻璃作为反射镜材料。

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图 1. 便携式 TXRF 光谱仪及工作原理 

3. 最新进展    

使用金属树脂结合剂砂轮改善粗糙度    

对使用#4000 金属(铸铁)结合剂砂轮和 #4000金属树脂结合剂砂轮获得表面的算术平均高度 (Sa) 和最大高度 (Sz) 进行评估。与金属(铸铁)结合剂砂轮相比,金属树脂结合剂砂轮可以更有效地降低粗糙度(图 2)。#4000 铸铁结合剂砂轮能够获得 Sa 和Sz分别为17.6nm 和785nm 的表面,而使用#4000 金属树脂结合剂砂轮后,Sa和Sz分别为11.9nm 和553nm。

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图 2. 使用 #4000 砂轮时的表面形貌

纳米金刚石 (ND) 砂轮的效果    

使用含纳米金刚石和不含纳米金刚石的 #20000 砂轮进行反射镜磨光实验。结果表明含纳米金刚石的砂轮降低了研磨表面粗糙度,如图3所示。砂轮不含纳米金刚石时,Sa数值为5.84nm。但是,含2% 纳米金刚石的砂轮能够实现的表面粗糙度数值为不含纳米金刚石时的1/3。尽管该机制还需要进一步研究,但就本次研究目的,可以得出使用含纳米金刚石的砂轮可制造出更高质量的反射镜。

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图 3. 给砂轮添加纳米金刚石后粗糙度降低的效果 

同步研磨对表面质量的改善    

为了通过研磨工艺改善反射镜表面质量,我们尝试了同步研磨。如图 4 所示,镜面工件与硬质合金环同时研磨。反射镜工件放在夹具板中心位置,碳化钨-钴环放在同一夹具板的边缘位置。采用这种结构可实现碳化钨-钴环对反射镜工件进行同步研磨。图5为使用无纳米金刚石和含2% 纳米金刚石的#20000砂轮获得的表面形貌示例。结果表明,含纳米金刚石且使用同步研磨法制成的反射镜磨痕较浅。

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图 4. 同步磨光法

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图 5. 使用 #20000 砂轮形成的表面形貌

X 射线全反射镜成品评估    

采用成品反射镜的便携式全反射X射线荧光(TXRF)分析仪已投入使用。#20000ND反射镜的锰和钴检测极限分别为31pg和25pg(图 6(b)),CMP反射镜的锰和钴检测极限分别为35pg和30pg(图 6(c))。#20000ND反射镜和CMP反射镜之间检测限的差异可能是由于测量过程中产生的偏差导致。结果表明,#20000ND反射镜的质量可满足便携式光谱仪的实际应用需求。

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图 6. 对 X 射线荧光光谱仪上的反光镜的评估 

4.未来前景    

图7对比了3种反光镜的抛光工艺。#20000ND反射镜可通过一致研磨顺序并结合适当工艺制成,在提供足够高性能的同时,缩短工艺流程和时间。本次研究实验成功证明,通过一致研磨顺序对#20000ND进行同步磨光,可以有效且实际地产生足够高的反射镜质量。本次研究中开发的研磨工艺不仅可以缩短反射镜和光学元件的生产时间,还可以用于生产各种用途的曲面光学元件。

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图 7. X 射线反射镜生产工艺对比

用以实现原子尺度器件制造的电子运输周期性能量分解分析
Paven Thomas Mathew, Fengzhou Fang
2020, 2(1). doi: 10.1088/2631-7990/ab5d8a
摘要:

随着技术的发展,亟需更高精度和精密度的制造技术。制造精度的提高有助于减小集成电路元器件的尺寸,进而提高设备及产品的功能。原子及近原子尺度制造(ACSM)是未来实现这种尺寸减小的核心制造技术。房丰洲教授及其微纳米制造技术中心团队(MNMT)致力于进行ACSM技术的基础研究与技术开发。ACSM技术尚处于初期阶段,基于密度泛函理论(DFT)的研究和借助原子力显微镜(AFM)的实验探索都还在进行中。开发原子尺度的器件,分子的运用尤为重要,因为分子具有无缺陷性,同时可以大大减小器件的尺寸。然而,将分子附着到电极上是一项艰巨的任务。为此,需要探索在电极-分子接合处由于相互作用产生的影响。周期性能量分解分析(pEDA)是一种改进的方法,用于研究两个片段之间发生的键的相互作用。当将两个片段放在一起时,该方法可提供不同类型键合的相斥或相吸信息。本文提出了结合pEDA和电子运输的研究,以改善分子器件发展的新思路。该研究可以为以下方面的分子器件的制造提供支撑。首先,跨分子结的电子传输和传导的重要性很大程度上取决于电极材料与分子之间的键合。其次,分子和电极材料的选择对于设备功能的稳定和牢固连接至关重要。最后,连接点应为单个原子,以便减少相邻原子干扰电流平稳流动的影响。本文提供了有关上述前两方面的详细信息,并促使研究人员找到通过原子尺度材料去除实现后者的方法。因此,pEDA和电子传输之间的联系不仅有助于分子器件的开发,而且还为实现ACSM方法提供途径。