飞秒激光微纳加工技术

1、基于空间光调制技术的飞秒激光高效高分辨多尺度加工
飞秒激光双光子加工技术具有高分辨、真三维等优势，在复杂三维微纳器件制备中具有广阔应用前景，但基于逐点扫描的加工方式耗时长、效率低且加工结构尺度小，严重制约飞秒激光双光子加工技术的广泛应用。 

2、三维微流体器件的激光集成技术
微流控技术因其具有的可携带、小型化、低成本特性，已经成为21世纪的重要技术之一。传统的微流控加工技术局限于平面微流控设备，飞秒激光具有任意的三维加工能力，可用于集成三维微流控器件制造。 

3、Top-down和Bottom-up结合的复合型多级功能结构制备
自然界中广泛存在的多层级微纳结构大多具有独特的功能，受此启发的微纳器件在微流体器件、生化分析、仿生利用等方面具有广泛应用。但仅依靠传统的top-down加工手段，多层级的微纳结构往往难以实现，这严重妨碍了多层级结构的应用。 

4、大面积仿生超疏水微纳结构的飞秒激光制备及应用
超疏水/水下超疏油表面由于其特殊的润湿性能和在自清洁、防腐蚀和微流体系统等方面的潜在应用激发了学术界和工业界的广泛兴趣。人工制备水下超疏油表面的关键在于亲水性的材料和微纳米复合结构。目前制备特殊润湿性表面的方法众多，但存在着加工周期长、制备面积小、或加工工艺复杂、或制备成本高等诸多问题严重限制了在工业上的应用。针对存在的问题，我们提出了飞秒激光在平面或曲面上大面积诱导多种微纳米复合结构制备多功能润湿性表面的方法。

5、大面积仿生功能表面的飞秒激光制备及应用
自然界中功能表面，比如超疏水的荷叶表面、各向异性疏水的水稻叶表面，可收集水雾的沙漠甲虫表面以及绚丽多彩的蝴蝶翅膀等，都是由其表面的微纳米结构产生的，在环境、能源、微流体、信息安全等领域具有重要的意义。我们利用飞秒激光表面处理的方法，在多种材料（金属、聚合物、硅等）表面诱导多种微纳复合结构的功能表面。 

原子力显微术

1、基于接触共振原子力显微术的纳米力学表征
纳米技术的快速发展对材料纳米力学特性的快速、准确、无损检测提出重要需求。结合原子力显微镜与针尖-样品间接触作用超声调制的接触共振原子力显微术成为面向这一需求的重要手段，在定量弹性/粘弹特性测量、非侵入次表面检测等方面取得了重要运用。在本项研究中，我们探究了针尖-样品间接触作用在超声调制下的“超声润滑”、局域微滑动等现象，提出了定量评价接触共振原子力显微术次表面检测能力的分析方法，并将之运用于薄膜残余应力测量。

2、纳米光学
随着纳米技术的快速发展，纳米光学成为了人们研究的热点，其中最具代表性的就是超表面纳米光学元器件。这种光学元件具有微型化，平面化，高效率等优点，非常适合光学系统的微型化发展，有着巨大的应用前景。目前，我们的研究内容主要是纳米光学元器件的设计、加工及应用探究，结合原子力显微镜（AFM）中光学检测的原理，利用超表面结构来提高检测灵敏度，这还能够应用于大多数光学检测系统中。此外，我们还设计具有长焦深的超透镜及应用探究。

3、原子力显微镜高次谐波成像
原子力显微镜通过检测悬臂梁针尖与样品间的相互作用产生的高次谐波信号来检测被测材料的力学特性，是一种无损，高效的检测手段，在材料学、生物学、微纳器件等领域有着广阔的应用前景。我们通过遗传算法和有限元分析对悬臂梁频率特性进行调控，实现了大气环境下谐波信号增强。我们还通过高次谐波对力学特性灵敏度进行分析，实现了材料内嵌颗粒、液体环境中薄膜材料下空穴结构的定量检测。此外，高次谐波在机理分析和材料力学特性定量表征等方面还需要深入的研究和探索。

4、基于高斯过程的纳米测量研究
使用高斯过程方法，针对测量领域存在的测量冗余问题研究测量方法及形貌重建方法，用以降低采样点，提高测量效率；针对特殊轮廓进行预测追踪；多传感器数据融合，例如低精度高密度光学数据与高精度低密度SPM数据进行有效融合期望高精度高密度融合结果。

作为一种能够广泛应用于生物化学领域的微量反应器，微液滴具有广泛的应用前景，而产生微液滴的技术与方法已经成为了一项热门的研究领域。其中具备drop-on-demand性能的微液滴生产技术尤其受到关注。结合微流控技术与喷墨打印原理的微流控冲击打印技术，能够稳定、高通量的产生任意数目、任意图案的纳升到皮升体积微液滴阵列，可用于并行生化反应分析。模块化的系统设计使打印系统各部分具备互换性，在提高其兼容性的同时，还可以避免微流控芯片因重复使用而导致的污染。

2、高精度数字液滴移液技术
微移液器是实验室常用的手持液体操作设备，广泛用于从微升到毫升体积范围的定量液滴吸取与分配。但由于气体的可压缩性与液滴的粘附效应，移液器不适用于微升以下体积液体操纵。通过研究微流控打印技术与飞秒激光超疏水表面处理技术，所提出的一种新型数字液滴移液技术，将目前移液器的分辨率与精度提高两个数量级以上，可以达到达到纳升级，为高精度的生化分析提供基础。

数字PCR是一种极限稀释PCR试剂，在不同的反应室中进行PCR扩增，并根据泊松分布原理和阳性液滴的数量计算目标分子的拷贝数的技术，它可以提供高灵敏度，精确定量检测和宽线性检测范围，具有良好的特异性，是一种有前途的低成本分子定量检测手段。迄今为止，它已用于检测癌症突变的变异和罕见的靶DNA拷贝，并精确地解析拷贝数变异的状态，我们的研究是结合了一次性微流控打印芯片和高精度XY移动台实现了快速产生大量液滴和低成本形成不同体积大小的液滴阵列这两种关键技术，结合高通量和低成本的优势，这种基于微流控的打印的数字PCR技术将有更大的市场应用前景和价值。

4、基于压电驱动的多通道微泵和微液滴生成系统
微型泵是一种可以控制和操纵微小流体的装置，通常流体的特征尺寸在微米量级。本项目的精密微型泵具有流体流速可调节范围大、运输分辨率高、所需样品微量、加工简易和成本低等优点，微型蠕动泵在运输 nL-pL 量级的液体方面有着巨大的优势，在医疗药物运输、生物化学试剂运输包裹和point–of–care等领域有着广泛的应用前景。基于微液滴生成技术的微流控芯片，因其样品试剂用量少，单分散液滴的产量高，反应速度快和对每个液滴的独立控制等优点。在细胞DNA或磁珠包裹研究、分析与诊断、蛋白质结晶、药物运输和制药，以及食品和化妆品的制造中有着广泛的应用。例如，微液滴在微流控中是生物化学应用中的微反应器，含有生物或化学成分的液滴通常被应用于不同的检测、筛选和分析用途。液滴对于不同的生物材料包裹所需要的体积不同，需要通过控制液滴的尺寸来改变，便于在SYBR-Green或者FADS中的进行分选。

微等离子体及其应用

微等离子体在纳米加工和生物材料图案化表面改性中的应用
微等离子体具有体积小、低温非平衡、活性粒子密度高、可处理三维复杂样品及可在大气压下工作等优点，因而在微尺度材料刻蚀、沉积、表面改性，以及灭菌、消毒、癌细胞处理等生物医学领域具有广阔的应用前景。