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lican8341的博客

霜剑如梦倚残翼,泊影难觅几何时!

 
 
 
 
 
 

[置顶] 浅论机电一体化系统的联合仿真技术

2013-9-19 23:45:29 阅读30 评论0 192013/09 Sept19

 摘要:本文以机电一体化系统为研究对象,分析了机电产品容错设计与仿真技术的发展现状,并提出了自己的看法。 
    关键词:机电一体化仿真容错 
  一、引言 
  现代机电产品正朝着集成化、自动化、智能化的方向发展,有的机电产品对人的依赖性越来越小,发生故障根本不可能由人去维修,有的机电产品形成大系统,一旦发生故障可能导致重大事故,并造成巨大经济损失。例如:美国发射的“勇气”号火星车和“机遇”号火星车,在太空飞行半年之久,一旦有了故障靠人去诊断和维修是根本不可能的;2008年8月巴西一枚VLS-3型卫星运载火箭,在接受最后检测时突然爆炸,导致现场21人被炸死,另有20多人身受重伤。 
  这些集成化、自动化、智能化的机电系统发生故障的随机性很强,往往难以预料,但工程实践表明除了少数突发故障以外,大多数故障是一个渐进的过程。如果早期发现,及时采取恰当的措施是完全可以防止的,机电产品容错设计与仿真技术研究以及容错技术的应用正是顺应了这种需求。 
  容错技术为提高系统的可靠性开辟了一条新的途径。虽然人们无法保证所设计的系统各个构成环节的绝对可靠,但若把容错的概念引入到机电产品,可以使各个故障因素对产品性能的影响被显着削弱,这就意味着间接地提高了产品的可靠性。研究和应用容错技术,对于保障机电系统运行的连续性和安全性,减少安全事故,提高现代机电产品的经济效益和社会效益,具有非常重要的意义。 
  二、仿生硬件容错研究现状 
  随着电路系统功能的复杂化,传统的硬件容错技术越来越不能满足日益庞大的电路系统要求。为了提高系统可靠性,人们提出了动态地对故障进行自检测、自修复的要求,并努力寻找新的容错设计方法。早在20世纪50年代末,计算机之父冯?诺依曼就提出了研制具有自繁殖与自修复能力通用机器的伟大构想。 
  研究人员从自然界得到灵感,将自然计算(如进化计算,胚胎理论等)引入到硬件设计中从而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware,BHW)。仿生硬件的概念最初是由瑞士联邦工学院于1992年提出的,虽然历史不长,但其发展非常迅速,现在已经成为国际上的研究热点之一。仿生硬件早期也称为进化硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人较早提出了EHW应用于容错方面的想法。仿生硬件是一种能根据外部环境的变化而自主地、动态地改变自身的结构和行为以适应其生存环境的硬件电路,它可以像生物一样具有硬件自适应、自组织、自修复特性。采用仿生硬件实现的容错,不需要显式冗余,而是利用进化本身固有容错的特性,这种特性带来的优势是传统方法通过静态冗余实现容错所不能比拟的。 
  三、仿生硬件的容错技术新思路 
  基于仿生硬件的容错研究,对建立借鉴生物进化机制的硬件容错新理论、新模型和新方法,提高硬件系统的可靠性,具有至关重要的意义。 
  (一)胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理 
  仿生硬件可以分为进化型和胚胎型,其中胚胎型仿生硬件也称为胚胎电子系统,是模仿生物的多细胞容错机制实现的硬件。 
  胚胎型仿生硬件的容错体系结构,主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组成。开关阵根据可编程连线的控制信号完成开关闭合,控制线轨内各线段的使用。胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、直接连线、可编程连线、控制模块等。存储器用于保存配置数据位串,并根据细胞状态和坐标发生器计算出的结果,从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功能单元进行配置。坐标发生器根据每个细胞最近两侧(左侧和下侧)邻居细胞的坐标为其分配坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线提供控制信号。功能单元用于实现一个n输入的布尔函数,用于实现所需的细胞功能。直接连线负责功能单元之间的相互通信。可编程连线传递控制信号控制开关阵。控制模块完成细胞的工作状态检测、故障诊断、控制细胞冗余切换。
 (二)胚胎型仿生硬件实现容错的策略 
  为了实现对故障细胞的容错,常用的容错策略有两种:行(列)取消和细胞取消策略,通过记录有错的单元位置,重新布线,用其他备用的单元来代替。
 但是对于连线资源故障,这些策略并未给出相应的对策。在深入研究胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上,本文提出一种针对线轨故障的容错策略。 
  1. 行(列)取消策略。在行(列)取消中,若一个细胞出错,则它所在行(列)的所有细胞都将被取消,而该行(列)细胞的功能将被其上一行(右一列)的细胞所代替,即当一个细胞出错时,细胞所在行(列)上移(右移)到一个备用行(备用列)来代替它当前的工作。 
  2. 细胞取消策略。在细胞取消中,用备用细胞代替故障细胞分两个阶段。当某一行的出错细胞数超过备用细胞数时,整行被取消,行细胞上移,用备用行取代出错行的功能。 
  (三)胚胎型仿生硬件实现容错的流程 
  胚胎型仿生硬件容错的流程为: 
  (1)根据设计需求选择器件,确定硬件设计方案; 
  (2)以电路结构及有关参数等作为染色体进行编码,按照进化算法的进化模式对系统进行进化操作; 
  (3)一般以电路的功能与预期结果的符合程度作为个体的适应度。根据给定的输入条件或测试集,通过基于电路模型的仿真测试或实测计算群体中的每个个体的适应度; 
  (四)胚胎型仿生硬件内部错误检测机制 
  错误检测是胚胎型仿生硬件实现容错的前提,本文在此着重研究针对细胞故障的错误检测机制。 
  基于细胞功能单元的三模冗余与多数表决器电路实现是硬件容错常用的冗余容错策略。 
  多数表决器判断输出多数细胞模块的信号,但并不能判断出具体哪个细胞出现了错误,也就没法启动对出错细胞的重启动或重构来修复该细胞。为了能检测出错细胞的具体位置,从而修复该细胞,进一步提高三模冗余的可靠性,需要设计相应的差错检测器。 

作者  | 2013-9-19 23:45:29 | 阅读(30) |评论(0) | 阅读全文>>

[置顶] “对价”是法治国家的“治理术”

2015-2-25 22:17:00 阅读104 评论0 252015/02 Feb25

 宪法人本主义精神确定了宪政的核心价值是"自由"。因为,一切宪法上的权利、利益在法律上都只能是"自由"。因为,自由是人类社会一切创造性的来源,所以,宪法要保护个人的自由并促进每个人自由而全面的发展。宪政的社会发展目标最终依赖整个社会成员自由创造力的高度和普遍提高来落实。个人自由为社会发展提供了永不停止的、无穷的动力来源。
    但,宪法上的自由仅仅具有"宣示"性质。宪法对个人权利的保障取决于宪法实施过程中发展责任怎样分配和怎样安排。如何在平等、自由的个体之间进行公平的分配发展责任(包括财产责任、科学作品和文学作品生产责任、教育责任总之精神生产责任和物质生产责任)来实现效率和公平的法律价值及社会正义的目标?在宪法权利"宣示"的条件下,个人自由仅仅是"选择自由",公民可以选择承担社会发展责任,也可以选择不承担社会发展责任。如果公民选择不承担社会发展责任,宪政发展目标就无法实现。因此,必须设立立法原则,制定相关法律体系,通过制定相关法律分配发展责任并强制执行法律,才能使宪政发展责任落实。
    在宪法权利的宣示下,落实宪法权利必须建立几个基本的立法原则:第一,尊重每个社会成员的个人独立、平等和自由,包括尊重个人的消极自由;第二,任何制度安排的责任分配,不能使社会成员的自由受到实际损失;第三,在不使任何人财产损失的前提下,分配责任和负担来实现改善每个人的状况而使每个人至少不会变得更糟。上述原则是宪法权利保障的"内在要求"。宪政实施不能以违反宪法精神为代价。宪法权利保障也不能以牺牲公民的宪法权利为前提。这是宪法实施的前提条件。
    如何满足上述立法原则又能有效的分配社会发展责任?
    "对价"是最有效的施政技术和施政方法。
    
    一、"对价"的本意是允诺合同的效力原则
    
    "对价(consideration)"原本是英美契约法上允诺合同的效力原则。允诺合同无"对价"无效。在个人之间的关系上,它是指换取某一允诺的代价,即:我为你允诺是为了换取你对我的允诺的承诺。"对价"作为允诺制度的效力原则,表达了人与人之间同时生效的相互允诺关系。
    "对价"是公共资源私人占有冲突的解决的方法。任何社会发展责任都必须依赖对公共资源、国家资源、社会资源的经营生产进行管理和安排。可是,从逻辑上来说,公共资源是平等个人之间的公共财产。任何个人占有本应属于每个人平等占有的公共资源的正当性都不存在。但,任何生产都是"单个人"进行的、"具体生产",没有抽象的社会生产。因此,只有使用"对价"的方法,才能解决公共资源私人占有冲突和矛盾的博弈:宪政通过颁布法律,宣布先占人先得,并通过保障个人劳动所得归个人的财产权归属原则,来分配公共资源使用的增殖责任。从宪法权利角度看,"对价"实际上是以个人"选择自由"为交易的标的在社会成员之间签订社会契约:先占人获得先占资源、承诺利用先占资源提供更多的选择自由为他人提供更多的资源使用机会,使公共资源私人占有获得正当性。只要不使任何个人受到损失,并公平的提供平等的选择机会,发展责任就能够公平的分配。在该社会契约中,国家通过制度安排为每个人提供了平等的"制度承诺":凡是让度了选择自由的人,都能够获得选择自由增加的回报;凡是获得了让度选择自由而行使了积极自由的人,其财产权获得强制保护;凡是先占人必然会为让度人提供更多可供选择的自由作为回报。"对价"作为自由人之间以选择自由为交易标的"社会契约"的效力原则,使该社会契约必须满足如下条件:除非选择自由的交易使选择自由增加,否则,该社会契约会因缺乏"对价"而无效。
    
    二、"对价"是帕累脱最优实现改进的法律条件
    
    宪法基本人权与财产权之间存在价值冲突。在尊重每个人自由的前提下,国家只能通过立法行为,让自由人之间"选择自由"的让度换取"选择自由"的允诺是"社会契约"来实现"选择自由"的增长。
  从法经济学角度看,这就是帕累托最优实现帕累托改进的法律条件:在除非使某人的状况恶化否则不会使另一方的状况改善的情况下,任何制度安排不会使个人比之前的状况变得更糟。因为宪法保障的自由仅仅上"选择自由",该选择自由使发展责任无法公平分配:在宪法权利平等受保护前提下,公平分配发展责任成为"博弈僵局"的帕累脱最优,只能通过制度安排改变博弈僵局的状态,才能落实发展责任。因此,国家产生明确的立法责任:在自由人之间以选择自由为标的进行符合对价的允诺:让度消极自由换取积极自由的实现。因此,以"选择自由"为标的的社会契约必然带来平等主体之间"选择自由"成倍数的增长。任何进一步的制度安排都只能使个人选择自由增加而不会变得更之前更遭。这就是市场自由交易中自由与自由交易的"对价机理"。选择自由就是市场机会的提供。充分的市场机会是市场自由和财富增长的保障。在市场中,选择自由的增长就是财富增长机会的增加,某种意义上说,就是财富本身的增长。市场机会是市场竞争中最稀缺的资源。
    "对价"因此使法律成为"激励机制"有效运行的法律条件。该激励机制只要满足"对价"的条件,就能够正常有效的运行。科思定理揭示的"产权清晰"理论并不是激励机制有效运行的"发动机"。"对价"才是法律作为经济运行的激励机制的"发动机"和"发动机"不断运行的充分必要条件。缺乏"对价"的产权归属会产生不公平的社会分配的后果。"对价机制"是市场运行、发展的奥秘,其中包含了个人繁荣和社会繁荣、民族繁荣的"玄机"。
    
    三、财产法是国家允诺强制保护的、符合"对价"条件的"社会契约"
     从这个角度来说,自然权利的财产权是国家"确认法"的形式保护劳动成果权利,"制定法"、"许可法"上的财产权是国家通过制定法经过自由人之间以财产自由的选择自由为标的、符合"对价"的、相互允诺的"社会契约"。该社会契约因为以财产自由的选择权为交易的标的,因此,除非国家立法使自由人的财产自由增长并使每个人的财产自由不会比财产自由选择前的状况变得更糟,否则,该制定法上的"社会契约"就因缺乏"对价"而无效。在制定法上的财产权"创制"过程中,国家作为社会契约的一方作出允诺:国家允诺强制保护各方的对价条件并使各方允诺兑现而使整个社会财富增长来换取国家发展责任的落实。
    "对价"因此成为宪政国家对公共资源私人占有的生产进行制度安排的的立法原则。国家发展责任、社会福利增加的责任、个人自由发展的责任都得到了落实,"对价"是一个多赢的机制。在落实宪法权利的过程中,除非使财产自由、经济自由、政治自由增长而至少不会变得更糟,否则,国家制度安排因无对价而缺乏正当性,并必须接受违宪审查。违宪审查是监督宪法实施的基本制度保障。
    四、"对价"与法治国家的基本法律架构
    "对价"因此成为法治国家的"立法原则"。"对价"奠定了法治国家的基本法律架构,不仅使国家行为、社会行为、个人行为同时具有正当性,也使立法机关、执法机关、司法机关、检察机关等的设立及职责也都具有了正当性。
    
    "对价"过程确立了私法原则和法律精神。1、个人自治原则。既然个人自由是一切创造性的前提,国家要尊重个人自治的原则。 "个人的独立自由"是社会发展的前提,它不仅是产权交易的前提,也是社会生产具有永久生产动力的最小生产单位。2、保护私人财产权原则。既然国家将公共资源增殖的责任分配给选择了积极财产自由的人,国家就要保障个人的财产权神圣不受侵犯。保障个人创造性劳动成果归属劳动者,并不受任何侵害。不仅不受他人侵害,更不能受国家的侵害和行政机关的任意掠夺。经过立法层面的对价后,产权清晰是个人生产行为持续激励的正当条件。3、法律至上原则。国家通过宪法权利的衡平对价而设立的法律规则,必须具有至上性。否则,宪政的发展目标无法实现。该"法律至上"所指的法律,是指经过立法者的价值选择、立法者在自然状态下规则、习惯的取舍中,经过消极自由与积极自由"对价"后国家通过立法行为"确认"、"制定"、"许可"并受到国家强制力保护的规则体系和法律规范。立法、司法、执法机关都必须严格的执行法律。规则一旦确定,必须具有至上性,国家必须兑现国家强制执行的承诺。任何个人包括行政机关甚至立宪者、国王,都不能超越法律之上。否则,法律的价值和社会功能就无法实现,宪政的发展责任也无法落实。经过"对价"的法律如果不具有至上性,还意味着各方允诺不受对价的约束,将会出现整个社会普遍性的信任危机、信用危机。4、合同自由原则或契约自由原则。合同自由或贸易自由是自由人之间以财产为标的的财产权流转。个人自由的增长,通过个人之间的不断进行的财产权交易为尺度的。个人交易自由是个人繁荣的条件。个人繁荣是国家繁荣、民族繁荣的条件。尊重个人交易自由,就是最大限度的保障社会财富增长,并实现个人财富增长的多重价值。5、劳动创造价值确定归属原则。按照诚实信用原则,法律保护个人创造性劳动成果归个人所有。财产法制定过程必须满足"劳动所得归属原则"和"付出和回报之间要等价"的原则。个人仅对自己劳动所得拥有财产权,不能获得更多或更少。个人获得更多将对其他社会成员不公平,获得更少将对劳动者个人产生普遍的"道义债务"。6、"对价"也产生了对国家机关、权力机关的权力制约与制衡的要求。
  五、"对价"与社会正义及社会主义的目标
    
    "对价"作为法治国家的立法技术、施政技术,是以社会实质正义的分配为最终目标的。因此,"对价"要求国家在立法过程中,不断平衡实质正义、形式正义、实质公平和形式公平、形式平等和实质平等之间的关系。负责任的政府要对社会实质正义负责。在这里,传统财产法的"形式正义"仅是国家控制社会、分配正义的一种形式和一种手段。社会公平正义最终要通过实质正义的分配为尺度。是否以实质正义为目标,引导社会发展进程是"有为政府"与"无为政府"区别的标志。国家的理性责任是在宪政立法原则层面掌握社会利益与个人利益、公共财产与个人财产、个人发展与社会发展、个人自由与国家自由最大化之间的"对价"与"衡平",解决公共财物私人占有经营过程中的财产权确权原则:除非为了社会整体利益的增长并不能使任何人的自由状况标得更糟,否则,国家通过制度安排使某个人让度自己的选择自由保障另外一部分人的自由实现就没有根据。
    
    "对价"有效的协调了公平与效率的价值冲突。"对价"是实现公平和效率的最有效的原则。"对价"使公平和效率之间的价值选择成为一个不断取舍和选择的过程,并通过效率而实现公平。"对价"也协调了形式平等和实质平等的关系,有效的分配了形式正义和实质正义。国家保障责任使每个公民都具有基本人权受保障的权利。但,在市场自由中,国家只能通过法律提供形式上的平等,包括机会平等和条件平等,为每个人发挥创造性才能提供激励机制不断运行的规则体系。除国家基本保障外,市场经济下的分配按照自由市场的规则运行。个人获得多寡是个人行使市场自由选择的结果。从"对价"的立场看, 实质正义的实现是每个人按照符合自己本性的方式从事自己喜爱的生活方式和生产方式,按照符合自己本性的方式选择自己的生活方式和生产方式。能够在社会生活中自由的选择从事符合自己选择的生活方式和生产方式,就是个人权利得到的最有效的保障。
    
    社会正义的最终实现和社会主义宪政目标取决宪政不断在冲突价值中进行对价与衡平。宪政最终以个人权利为核心完成整个政治秩序的构建。通过个人福利最大化实现整个社会福利最大化、通过促进和保障个人生产能力的增长而实现整个社会生产能力普遍的提高、通过促进个人全面而自由的发展来实现整个社会成员的高度发展,这就是宪政的"科学发展观"在法律上的内涵。符合科学发展观的制度,就是符合社会公平正义的制度。从这个意义上说,中国特色社会主义作为中国宪政的制度目标,只要坚持"对价"并实现对价中的衡平的立法原则来构建整个法律体系,使整个法律体系符合统一的对价原则和衡平原则,就一定能够有效的分配公平和效率,就一定能够符合社会的公平和正义。从这个角度来说,中国宪政希望建设最符合社会公平正义的制度。

作者  | 2015-2-25 22:17:00 | 阅读(104) |评论(0) | 阅读全文>>

 在金融机构股份制改革和WTO缓冲期2006年届满后金融业进一步开放的推动下,我国金融机构近些年明显加快了探索建立“全面风险管理(长效)机制”的步伐。现代风险管理机制主要包括三个方面的内容:内部控制机制、对冲机制和经济资本配置机制。这三大机制的有机结合正是风险管理提升金融机构价值和核心竞争力的重要保障,也是我国金融机构“全面风险管理(长效)机制”建设的基本模式。
  
  一、内部控制机制
  
  如果将控制理解为对目标实现过程的管理,而把风险理解为结果对目标的偏离,那么,内部控制显然是金融机构历史最久的风险管理机制。只要开展业务,就必须设定目标,而由于种种风险因素就会有不达标的可能,而业务管理的重要内容之一就是要通过各种控制活动保障目标的最终实现,这些控制活动主要表现为与业务管理密切融合的各项规章制度的制定和执行监督活动。因此,内部控制与业务管理活动实际上是融为一体的,业务管理部门承担着内部控制的首要和直接责任,而审计部门则负责内部控制的有效性评估和监督。内部控制覆盖金融机构所有的人员、部门、分支机构和所有的业务线路及其全部流程,甚至负责内部控制本身的管理人员和审计部门也应该受到相应的监督和控制。目前国际上关于内部控制的经典文件是COSO委员会1992年发布的《内部控制――综合框架》(COSO,1992)。该文件将内部控制正式定义为一个依靠包括董事会、管理层和其他员工共同参与,保证公司经营活动的有效性和效率、财务报告的可靠性和对法律规章制度的遵循性三大目标实现的过程。同时,该文件还提出了与管理流程相融合的有效内部控制体系的五个基本要素:控制环境、风险评估、控制活动、信息与沟通和监督。
  有效的内部控制必须以良好的公司治理为基础,而且内部控制本身,包括内部审计和外部审计在内,也是公司治理的重要内容。由于公司治理是关于金融机构利益相关者,尤其是股东、经理和债权人之间责权利基本关系的安排,其基本结构决定了金融机构对风险的承担和管理以及相应风险收益的分配和管理激励,从而对金融机构的内部控制和整个风险管理体系起到基础性的决定作用。巴塞尔银行监管委员会在最近公布的《加强银行机构公司治理》(Basel,2005)的征求意见稿中明确指出:“良好的公司治理应该给董事会和管理层提供恰当的激励去追求与公司利益和股东价值相符的目标,而且应该有利于有效的监督”,“无论法律和监管制度的国别差异如何,也无论银行采用何种公司形式,只要确保以下四个方面的监督机制发挥作用就可以形成良好的公司治理:董事会或监事会的监督、不参与日常业务经营的个人监督、独立的风险管理和各业务领域管理线路监督以及合规和审计部门的监督。”金融机构治理结构的缺陷将导致内部控制从根本上失效,而有效的内部控制则是良好公司治理的重要表现。在金融机构治理结构中,董事会、高层经理、审计部门等对内部控制的相关责任的明确至关重要。
  与内部控制有密切关系的另外一个重要概念是近几年在全球金融业兴起的操作风险管理。《新巴塞尔资本协议》(Basel,2004)首次正式将操作风险定义为“由不足够的或失败的内部流程、人员、系统或外部事件所导致损失的风险”。内部控制和操作风险管理在内容、对象和范围上基本相同,不同之处主要在于管理手段和方法。内部控制活动主要表现为规章制度的制定和执行监督,尤其是审计手段的应用,而操作风险管理除了重视内部控制手段外,还采用风险计量、定价、经济资本配置和对冲等与市场和信用风险管理相似的方法。在准确计量的基础上对操作风险进行合理的风险定价可以使金融机构所承担的操作风险在产品和服务价格中获得补偿,对各业务部门实施针对操作风险的经济资本配置可以为业务部门加强内部控制降低操作风险提供合理的激励,也可以通过资本限额使得金融机构回避或退出操作风险较大的业务领域,而所谓操作风险对冲主要是指通过购买保险和相关业务外包将操作风险转嫁给其他机构。
  
  二、对冲机制
  
  在西方金融市场上,尤其是对于从事市场交易和金融工程的人而言,对冲成为了风险管理的代名词。在西方金融教科书(如Stulz,2003:Hull,2003)中,对冲通常被定义为运用衍生产品等金融工具来降低金融机构对某一风险要素的风险暴露。这些衍生产品尽管通过金融工程的创新变得复杂多样,但从对冲风险的基本方式上看可以分为期货(或者远期)类对冲和期权类对冲,前者因对冲损益与基础资产价格呈线性关系而被称为线性对冲,后者则被称为非线性对冲。对于整个金融机构而言,除了利用市场中的衍生产品外,还可以利用金融机构各项基础交易中在同一风险要素影响下损益变化方向相反因而具有对冲效果的交易来进行所谓的“自动”或“自然对冲”(Auto-,Natural-Hedging)。例如,利率和汇率变化对于资产和负债价值的影响就具有自然对冲效应,保险公司年金业务和寿险业务对于死亡率精算风险具有相互对冲的效应,做市商买进和卖出交易之间也具有风险对冲效应,等等。
  运用衍生产品对冲风险实质上是以直接交易风险的形式转嫁风险,这种风险转嫁是需要付出成本的。这种成本有两种基本形式,一种是以期权费和保险费为代表的直接的费用支出,另外一种是期货或远期交易中以盈利机会的丧失为代价来换取损失可能性的消除。因此,对冲风险是降低和消除风险的有效手段,但是,金融机构在降低和消除风险的过程中也相应降低或失去了该风险因素带来的盈利机会。这也正是风险交易中高风险高收益、低风险低收益这一市场规律的表现。相对于市场对冲而言,金融机构内部基础交易之间自然对冲的成本低,主要来自于对基础业务进行必要调整的代价。因此,金融机构要尽可能发现和利用业务调整代价不高的内部对冲机会,在充分运用自然对冲之后的剩余风险才转向市场对冲。
  金融机构并不能也不应该对冲所有的风险。所谓“不能”是指利用市场对冲风险是有条件的,这些条件包括风险要能够量化,进而能够定价,要有相应的对冲工具和交易对手。正是因为这些原因,金融机构三大风险要素中,市场风险对冲发展最早最快,到了20世纪90年代信用风险量化技术和信用衍生产品、资产证券化和贷款销售等信用交易产品获得一定发展以后,对冲才成为金融机构管理信用风险的重要手段,而操作风险受量化困难的阻碍,除了一些传统的保险交易和具有对冲性质的业务外包以外,至今市场对冲手段也非常有限。所谓“不应该”是指对冲风险是有选择的。金融机构与一般企业相比最大的不同之处在于承担和管理风险是其最根本的盈利来源。从事生产和贸易的一般工商企业最根本的盈利来源和核心竞争力主要来自于其优势资源、生产技术和客户体系等,尽管其中风险不可避免,包括原材料和产品价格波动风险、交易对手信用风险以及操作风险等,但是,这些企业由于并不试图从承担这些风险中获取盈利,因而都可以选择对冲,尽可能将这些风险降低。然而。金融机构却并不能这么做,因为其存在的理由和基本的经济职能就是承担和管理经济体系中的各种风险,并从中获取风险溢价。完全对冲风险(如果可能的话)将使得金融机构失去盈利机会和市场地位。因此,金融机构必须在其资本金承担能力的范围内选择承担自己擅长管理的风险,最终通过对产品的风险定价机制从客户那里获得价格补偿和回报。
  Schrand&Unal(1998)的研究表明,从整个金融机构风险配置的角度看,对冲有时会成为金融机构增加而并不是降低整体风险承担水平的手段。金融机构在业务经营中面临相互捆绑在一起的多种风险因素,即期市场往往难以独立将这些风险因素分离开以便金融机构选择承担或规避,从而影响到金融机构对该项业务的整体并展,而利用衍生产品对冲某些风险却可以将原来捆绑在某一业务中的多种风险因素分解开,进而更加有利于金融机构选择承担其所擅长管理的风险。因此,对某些具体风险因素进行对冲以减少对该风险因素的暴露,从金融机构整体看却更加有利于对目标风险因素的承担,进而从整体上提升风险承担水平,相应增加盈利机会。
  
  三、经济资本配置机制
  
  长期以来,人们熟悉的资本概念来自“资本:资产-负债”这一基本的会计模式,无论采用账面价值法还是市场价值法,会计模式下的资本概念本质上反映的是股东对公司价值的剩余求偿权(Residual Claim)。与此不同,经济资本的概念是基于资本对风险的意义而提出的。市场经济的基本规则是任何公司都必须以其股东的资本来承担各项风险,任何损失都必须首先由股东的资本来吸收,而当损失超过资本时,公司应该破产清算。资本作为企业在事后吸收损失的资金来源构成了在事前承担风险的资源和底线,即资本约束(Capital Constraint)。因此,从资本对风险的经济意义上看,资本概念反映了公司整体上可承担的风险,或者说为防止这些风险汇总在一起可能导致公司破产所需要的股权资本。即“经济资本=公司整体风险”,经济资本也因此称为风险资本,通常被定义为公司为了吸收一定置信水平下的非预期损失而应该具备的资本金,数量上等于公司整体损失分布中给定置信水平的在险价值(Valueat Risk,VaR,)(Crouhy等,2001)。
  相对于反映股权价值的会计资本概念而言,反映机构整体风险的经济资本概念对于金融机构管理具有更加重要的意义,这主要表现在经济资本问题将风险管理和资本结构以及资本预算三大公司财务问题结合起来,使得风险管理成为金融机构管理和决策的核心,也使得金融机构更加明显地体现出其经营和管理风险的企业本质。风险管理与资本结构的结合反映在金融机构是否具有足够的经济资本以应对整体风险,即资本充足性问题;而风险管理与资本预算的结合则反映在将有限的经济资本在整个机构的范围内如何分配给各个部门、业务单位和产品项目,以实现最大效率利用稀缺和有成本的资本资源,即经济资本配置问题。
  经济资本配置在技术上主要表现为通过经风险调整的资本回报率(Risk Adiusted Returnon Capital.RAROC)来进行投资和风险决策(James,1996)。所谓RAROC是指某一项投资的预期回报与其所占用金融机构的经济资本的比值。这里的预期回报是对投资的预期总收入进行一些必要的扣除(包括融资成本、管理成本和预期损失)后的余额,本质上反映投资的风险溢价。这里的经济资本是该项目对金融机构的风险贡献(Risk Contribution),即金融机构因投资该项目整体风险VaR值增加的量。RAROC的基本思想是将投资的收益与风险结合起来考察,衡量的是投资给整个金融机构带来一个单位的风险(或说消耗一个单位的经济资本)所能够带来的预期收益,反映该投资的风险和资本利用效率。RAROC被用于资本预算时,候选项目的RAROC与预算过关率(Hurdle Rate)相比较,超出的项目表明风险收益匹配状况达到要求而获得预算许可。利用经济资本进行投资决策的另一种形式是风险定价,即对于无法对冲的风险(如贷款信用风险),金融机构在最终产品销售(如贷款)时将承担风险的成本以资本费用(Capital Charge)的形式反映在产品价格(如贷款利率)之中,从而获得补偿,即,金融产品的风险定价=融资成本+管理成本+预期损失+资本费用,其中,资本费用=机构平均股权成本×该项目经济资本。这样,对于风险较高的业务,由于经济资本占用较多,资本费用较大,其风险定价相应较高。
  除了用于上述事前决策以外,经济资本配置另一个重要的作用就是将风险概念引入事后的业绩衡量和薪酬激励,即所谓的经风险调整的业绩衡量(Risk Adiusted Performance Measurement,RAPM)机制,实现事前硬性的风险限额管理和事后柔性的薪酬激励管理相结合。与资产回报率或资本回报率等传统的业绩衡量指标相比,RAROC将投资的风险和收益结合起来,对回报进行了风险调整,不仅反映了收益来自风险承担的投资理念,而且更加合理地反映了投资的业绩和利用风险的效率,从而为风险承担和管理提供合理激励,促使投资者在进行业务决策和管理时更加关注风险和资本效率。另外一种采用经济资本衡量业绩的常见形式是衡量项目的“经济利润”,即预期回报减去资本费用后的差额。由于资本费用等于该项目占用的经济资本乘机构整体的平均股权资本成本,经济利润反映了股东在要求补偿投资所占用资本的机会成本基础之上的价值增加要求。以此为基础的业绩衡量和薪酬激励将股东和管理者的利益结合起来。有利于降低金融机构的代理成本。
  此外,经济资本配置还推动了全面风险管理的发展、组合管理和内部资本市场理论在整个金融机构范围内的应用。金融机构的整体经济资本对风险的计量范围覆盖金融机构所有的产品、业务单位和地理区域以及所有风险因子,尤其是采用VaR这种具有统一风险单位的风险计量方法,使得不同的风险因子、不同的业务部门和分支机构的风险水平得以相互比较、汇总和交流,从而使得金融机构可以在各个管理层次上,从单个产品到产品组合,从业务部门到分支机构,从营业网点到地区总部直至整个机构,都可以进行经济资本的统一计量和配置管理。同时,经济资本配置以计量产品或业务单位对整个机构的边际风险贡献为基础,考虑了风险因素之间的相关关系,这与现代资产组合管理的基本理念是一致的。Stulz(2003)在对依据风险配置经济资本的过程的分析中提出了产品或业务单位的“现金流B”的概念,即业务单位现金流与公司整体现金流变动的协方差除以公司整体现金流方差的商。James(1996)和Perold(2001)也认为,经济资本配置使得现代金融机构的运行本质上相当于一个内部资本市场机制。
 四、三大机制之间的相互关系
  
  (一)三大机制的发展反映了金融机构风险管理现代机制发展的基本历程
  
  内部控制、对冲和经济资本配置作为金融机构风险管理的三大机制在发展上反映了金融机构风险管理由传统走向现代、由控制走向优化、由执行过程走向决策制定、由艺术走向科学、由分割管理走向整体和全面管理的历史进程。内部控制尽管在1992年才有了COSO报告给出的被广泛接受的经典定义和基本框架,但它显然是金融机构管理风险历史最为悠久的传统方法。而对冲机制尽管数百年前就已经被商业机构发现和应用,但是直到20世纪七八十年代,随着放松管制和金融自由化,尤其是70年代初布雷顿森林体系崩溃后浮动汇率制度的实施和80年代美国利率管制的解除以及资本市场的迅速发展,加之1973年布莱克-斯科尔斯期权定价模型为直接风险交易定价带来的理论突破,以金融工程为代表的衍生产品交易技术和风险对冲才开始成为金融机构管理风险的重要机制。经济资本配置的发展则是以1994年美洲银行开发出基于RAROC的资本配置和业绩衡量系统为标志,因其在全面风险整合管理和将风险管理与投融资决策和业绩衡量相融合方面的突出作用。这一机制最近10年受到西方各大金融机构的青睐,迅速发展成为现代风险管理的最新代表。
  
  (二)三大机制在管理风险的方法和手段上相互支持和配合
  
  内部控制覆盖包括对冲和经济资本配置在内的金融机构所有业务和管理活动,并为这些活动的有效执行提供基础性的保障。以对冲为例,尽管对冲和投机乃至赌博在理论上有本质区别,但实践中往往只有一步之遥,甚至模糊难辨,因为,对冲是两笔交易的组合,是对冲交易与基础交易风险的冲抵,一笔衍生产品交易之所以可以成为降低风险的对冲交易是因为该金融机构已经存在基础交易带来的风险暴露,如果该笔基础交易不存在,该衍生产品交易就实际上成为了以承担风险获取收益为目的的投机交易甚至赌博交易。因此,运用衍生产品对冲风险的交易需要严格有效的内部控制的支持和保障,内部控制缺陷往往导致公司的衍生产品交易具有由对冲风险转化为投机和赌博的极大的操作风险,1995年英国巴林银行破产事件和2004年我国中航油新加坡公司巨亏事件就是典型的例证。当然,内部控制远不是现代风险管理的全部,金融机构也不能仅仅依赖内部控制机制达到现代风险管理的最终目的。即实现金融机构的价值增长和核心竞争力的提高。COSO报告(1992)明确指出,内部控制的局限性主要在于以规章制度的制定和执行监督为主要内容的内部控制活动本身并不能将低水平的业务管理转变为高水平的业务管理。
  对冲机制是现代风险管理的重要机制,但对冲机制所解决的问题仅仅是提供降低风险的合适手段和方法,主要是站在交易员角度关注对冲的实现工具及其定价问题,因而往往被称为“交易员风险管理”(Trader Risk Manage-ment),而一个更加重要的问题是站在整个金融机构价值增长的角度看对冲对象的确定和对冲程度的大小的问题。然而,这个在逻辑上理应先于对冲工具设计和定价的问题却是对冲机制本身不能解决的。这一类问题正好是经济资本配置所要回答的问题。因此,对冲为经济资本配置的实现提供操作手段,即剥离和转嫁风险的手段,而经济资本配置站在整个公司的角度为对冲提供了目标和依据,被称为“公司风险管理”(Corporate Risk Management:)。
  经济资本配置机制与内控机制显著不同的一点是对金融机构决策的影响和作用机制不同。以规章制度的制定和执行监督为主要内容的内部控制,对金融机构决策所产生的影响主要在于决策的过程和内容是否合规以及决策制定后能否正常实施。显然,这种内控机制对决策本身(包括资本预算、资本结构以及对冲风险决策等)是否合理、是否准确、是否可行并不直接产生影响。对决策内容的正确性缺乏有效作用正是通过内部控制实现金融机构风险管理的重要局限性所在。相比之下,经济资本配置却直接融入金融机构至上而下的各项投资和管理决策之中,将风险管理从内控的决策过程控制延伸到决策内容本身,从而弥补了内部控制的不足。正如普华永道和EIU2002年公布的一份名为《经济资本:处于管理风险和价值的核心》(PwC/EIU,2002)的联合调研报告表明,“近些年来,经济资本系统已经日益成为金融机构决策的核心。”
  
  (三)三大机制在管理风险的内容上相互补充
  
  Oldfield&Santomero(1997)从管理的角度将金融机构的风险分为三类:一是可以通过简单的业务管理就可以消除和避免的风险;二是可以转嫁给其他参与者的风险;三是在整个机构范围内积极管理的风险。从上述分析的风险管理三大机制看,内部控制机制主要用于管理第一类风险,对冲机制用于管理第二类风险。经济资本配置机制则适用于管理第三类风险。因此,有效的内部控制并非要消除一切可能的损失,而金融机构的风险也并非都需要用内部控制的手段来解决。从风险管理的效果和效率相统一及金融机构价值增加的角度考虑。不计成本地通过内部控制手段来降低风险并非明智之举。一方面,这与内部控制本身的局限性有关;另一方面,也与相对于行业平均水平的金融机构内部控制成本有关。在保险业和业务外包市场发达的情况下,行业平均管理水平下的风险控制成本反映在保险和业务外包的定价之中。当金融机构通过内部控制手段降低某一风险的成本高于通过购买保险或外包相关业务对冲该风险的成本时,金融机构显然应该选择后者,而非不计成本地采取内部控制手段。此外,对于行业平均管理水平下管理成本很高,甚至不能控制的风险,金融机构也不必不计成本地采用内部控制手段,而是可以采用提取足够的资本金或限制相应业务发展的方式予以管理。
  《新巴塞尔资本协议》被公认为是集风险管理现代方法之集大成者,该协议基本的风险监管机制及其所倡导的风险管理最佳做法(Best Practiee)也充分反映了一个全面而有效的风险管理体系对内部控制、对冲和经济资本配置三大机制的统一要求。首先,从内部控制机制看,新协议最大的创新之一在于首次明确将操作风险纳入资本监管框架,这不仅表现在充满争议的针对操作风险的计量和资本要求,还表现在作为新协议重要的附属文件《关于操作风险管理和监管的良好做法》对银行提出了全面、具体而严格的操作风险管理和内部控制要求,并成为希望采用自主性较强并具有监管资本优惠的高级监管资本计量法的银行不得不满足的制度标准。其次,新协议对对冲机制的要求和鼓励反映在对市场风险、信用风险甚至操作风险的监管资本激励机制之中,对于这三大风险,无论是采用传统的担保对冲信用风险和购买保险来对冲操作风险,还是购买复杂的衍生产品,包括信用衍生产品,只要是用于风险对冲,针对被对冲风险的监管资本要求都会得到相应的降低。最后,对于经济资本配置的鼓励是显而易见的,因为新协议所实施的监管资本要求无非是站在监管者角度、依据风险配置资本的行业统一要求,尽管其利益出发点不同,但与经济资本配置利用资本对风险的反映和要求来强化风险管理的基本宗旨和机制是相同的.更重要的是,新协议在较高级的监管资本计量公司中采纳银行用于经济资本配置的内部评级数据(如违约率和违约损失率)和其他内部模型,并通过监管资本优惠的方式鼓励银行采用这种高级计量法,反映了监管资本向经济资本靠拢的原则和监管当局利用外部监管资本要求促进内部经济资本配置的意图。当然,银行要采用这些具有监管资本优惠的高级内部评级或模型方法就必须到达上述操作风险管理的制度要求,这也充分反映了新协议对内部控制机制和经济资本配置机制相互补充的认同和重视。
  
  五、基本结论和建议
  
  金融机构风险管理现代机制的整体框架是内部控制、对冲和经济资本配置三位一体的有机结合。三大机制在发展上相互承接,在技术上相互支持和配合,在内容上相互补充,共同实现金融机构价值增长和核心竞争力提高的根本目标。内部控制以公司治理为基础,注重金融机构整体风险管理的基础性制度建设和文化环境,对冲是剥离业务中的各项风险并在机构范围内实现风险配置的重要技术手段,而经济资本配置则从机构整体上考虑所有风险因素。从风险收益平衡和公司价值增长的角度将对冲、投资和融资决策以及事后的业绩评价和薪酬激励结合起来,从而使得风险管理突破内部控制的局限,进入了金融机构决策的中心。
  在股份制改革和对外开放的推动下,“全面风险管理(长效)机制”的建设已经成为我国金融机构改革的中心工作。显然,“长效”应该长到能够应对面向国际市场和竞争的改革和开放带来的变化,即国际化和现代化的挑战,尤其是在当前我国金融机构海外上市取得重要进展, 《新巴塞尔资本协议》在我国银行业正式实施也已经有了明确的日程安排的情况下,任何所谓“全面”和“长效的”风险管理机制,的建设都必须建立在内部控制、对冲和经济资本配置三位一体有机结合的现代框架基础之上。首先,针对我国金融业目前操作风险突出的现实,要充分重视公司治理和内部控制的基础性作用,利用股份制改革的契机,强化风险管理基础设施建设。其次,在我国的金融市场不断深化,尤其是利率自由化、汇率机制改革、银行和保险公司进入资本市场、原油等原材料国际国内价格波动幅度加大的形势下,发展衍生产品市场,培育对冲机制对金融机构风险管理现代机制的建立具有重要意义。最后,鉴于我国主要金融机构规模大和业务综合性强的特点,这些大金融机构应该借鉴国际经验积极开发具有内部资本市场性质的经济资本配置体系,建立起统一的风险管理框架,包括统一的风险政策、统一的组织架构、统一的风险计量和统一的信息管理系统,从而提高整个金融机构在风险环境中的决策水平和竞争能力。

作者  | 2015-2-4 21:57:49 | 阅读(83) |评论(0) | 阅读全文>>

历程总有坎坷崎岖,风霜雪雨不断磨砺。日月乾坤轮番交替,悲欢离合缠绕不息。雾里赏花微风柳絮,金秋硕果冬雪红梅。得失成败别样风情,谋事在人成事天意。只使得问心无愧,得不忘形失不气绥。只是那——迷津无边回头是岸,耐心积累无怨无尤。

秋而至,送袅袅暗香而来,霜中的菊献片片芳菲一季。吻夕阳余辉,爱溢出温柔的眼眸。望四野安详,激情飞杨。听黄河汩汩,载无数苦难历史。观河沙沉沉,积淀多少回忆。满目疮痍,是你旧时的容颜。儿时的艰辛,留下了不灭的烙印。风霜雪雨,半个世纪的搏击。渊远流长,五千年文明的足迹。历史的长河,翻滚着昔日英勇的浪涛。时光的琴弦,弹唱着今日辉煌的旋律。

历史的车轮碾压而过,由吱呀作响的独木轮换作静默的钢轨,它留下的印迹似乎唯有凌乱,其实,却有着清晰地规则可循;年岁的海风呼啸而去,走过了东方的黄土,也掠过了西方的大地,它无影的身姿只给人无限喟叹,其实,却留下了最宝贵的经验。历史给每个国家的机遇是平等的。然而,它却又十分吝啬地只爱慕于有准备的那一方。

而国人,或辛酸或愤苦或彷惶或坚定地在这条充满坎坷的路上已走了一百六十多年。每一步都流着苦涩的泪水;每一脚都能踩出浓艳的鲜血。只是中国,你的复兴还要走多远?

我想这个答案只有中国自己能够回答,因为这是不朽的中国——请赐给我一束火炬,让我追随你的脚步。让每个梦境都滴着甜蜜,让所有的歌喉都沾满金色的音符。临摩你的日子——请为我铺开满天的彩霞。我要为你的葳葳蕤蕤注入永恒的活力。最初的十月,总是如热泪落花沾满回声。共和国的跫音走过你的心田,延伸到最激昂澎湃的旋律。在我的心中,您不仅仅是一座憩息的绿岛,你是一朵可供我踏着节拍上升的红云。无论山川、维谷、田畴、小径、苍海 ,无数次失败和成功使十月更加饱满。啊!祖国…… 十月的王冠为谁而戴?

         高山巍峨,雄伟的山峰俯瞰历史的风狂雨落,暮色苍茫, 任凭风云掠过。坚实的脊背顶住了亿万年的沧桑从容不迫。 我的祖国,大河奔腾,浩荡的洪流冲过历史翻卷的漩涡,激流勇进,洗刷百年污浊,惊涛骇浪拍击峡谷涌起过多少命运的颠簸。我的祖国,地大物博,风光秀美孕育了瑰丽的传统文化。大漠收残阳,明月醉荷花,广袤大地上多少璀璨的文明还在熠熠闪烁。我的祖国,人民勤劳,五十六个民族相濡以沫,东方神韵的精彩,人文风貌的风流,千古流传着多少美丽动人的传说。我的祖国,我爱你源远流长灿烂的历史, 我爱你每一寸土地上的花朵,我爱你风光旖旎壮丽的河山, 我爱你人民的性格坚韧执着。我的祖国,你是昂首高吭的雄鸡-----唤醒拂晓的沉默,你是冲天腾飞的巨龙-----叱咤时代的风云,你是威风凛凛的雄狮-----舞动神州的雄风,你是人类智慧的起源-----点燃文明的星火。 你有一个神圣的名字, 那就是中国——万里晴空,壮丽山河,赤旗飘扬。看九州方圆,普天同庆。江河歌唱,遍地流芳。不断改革前行的中国,如世界巨龙,屹立东方。今朝如此辉煌,赖气数流转指方向。忆峥嵘岁月,生灵涂炭。黎民多难,长夜茫茫。枪林弹雨,出生入死,换得新生红太阳。当珍惜,永葆河山赤,地久天长!

作者  | 2014-11-7 15:35:08 | 阅读(115) |评论(0) | 阅读全文>>

软模板纳米压印技术及其对共轭高分子的取向控制研究

2017-7-12 16:59:50 阅读5 评论0 122017/07 July12

1 引 言

  近年来, 随着对功能性高分子研究的日益深化, 功能性有机高分子薄膜的微纳结构化在其相应领域中的应用受到越来越多的关注. 比如, 发光高分子在发光材料上的广泛应用, 导电高分子在半导体领域的日新月异, 以及铁电高分子在存储领域的异军突起等, 这些都与功能高分子薄膜的图案化有着密不可分的关系.

  图案化功能性高分子薄膜的制备主要有自上而下和自下而上两种手段, 自下而上主要是利用高分子的自组装特性, 此法虽可获得大面积的样品, 但是结构的涨落较大, 不可控因素也较多, 在应用器件的性能上会存在较大的损耗. 自上而下是目前高分子薄膜图案化比较主流的方法, 主要是通过各种刻蚀和压印的方法来获得图案化高分子,其中纳米压印方法因其在制备过程中的物理化学稳定性和高分辨率而广受关注. 1997, 美国普林斯顿大学的S. Y. Chou 教授等提出了纳米压印这一方法, 随后该技术得到了广泛的使用, 纳米压印过程中, 模板制备是整个流程中的关键步骤, 硬模板价格昂贵, 制备工艺复杂, 而且整个工艺中的微小偏差都会对硬模板造成不可逆的破坏, 因此软模板转印技术应运而生, 该技术最早由哈佛大学化学与生化系的George M. Whitesides 教授提出.经历了多年的发展, 软模板转印技术有了长足的进步. 软模板的母模板主要有硬质模板和自组装模板两大类: 一类是硅基、玻璃基底或者宝石基底的硬模板, 其机械韧性差, 获取步骤繁琐, 且价格相当昂贵; 另一类是自组装模板, 主要以多孔氧化铝和荷叶等自组装结构的基材为主, 虽然简单易得, 但是结构的精度差, 结构涨落大, 普适性不强. 实现软模板在母模板定义上的低成本和转印过程中的低难度, 是软模板转印技术大范围推广的关键.

  为解决各步骤的技术问题, 克服现有技术的不足, 本文采用两步法, 实现软模板的定义,并将其用于软模板转移压印. 首先, 采用电子束光刻技术对光刻胶进行结构定义; 然后, 在光刻胶表面滴上聚二甲基硅氧烷(PDMS), 待其交联后揭下,实现PDMS软模板的结构定义; 最后, 应用获得的PDMS软模板对各种不同的高分子进行图案化. 并对其在分子链取向上进行了初步探讨.

  2 实验部分

  2.1 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)母模板的制备

  PMMA母模板的制备采用传统的电子束曝光技术, 1(a)PMMA母模板的制作流程. 首先, 将单抛硅分别置于浓硫酸、水、乙醇中清洗后烘干, 2000 r·min?1的转速下旋涂光刻胶(AR-P671PMMA 光刻胶, 分子量950 k, 德国Allresist公司), 匀胶时间1 min, 置于热台上, 180?C, 5 min, 将其放入电子束曝光机中, 20 kV的电压下,根据设计程序, 获得260 nm线宽、520 nm周期的PMMA光栅图案, 其表面形貌如图1(b)所示.

  2.2 PDMS软模板的制备

  实验中所采用的PDMS为美国道康宁公司生产的SLYGARD 184产品. PDMS基料和PDM-S固化剂按质量比10 : 1充分混合并滴涂到图案化后的PMMA表面, 放入65?C真空干燥箱中1 h,待其充分交联后, PDMSPMMA表面揭下, 得到PDMS软模板, 制备过程如图2(a)所示, PDMS软模板的表面形貌如图2(b)所示.

  2.3 压印PFO薄膜

  将共轭高分子聚(9,9二辛基)(PFO, 型号为ADS129BE, 美国Dye Source公司)充分溶解在甲苯溶液中, 配得15 mg· mL?1PFO甲苯溶液, 选用单抛硅作为衬底, 用浓硫酸、水、乙醇充分洗净后烘干. 将上述PFO甲苯溶液滴在硅基衬底上, 4000 r·min?1的转速旋涂, 匀胶时间1 min, 置于热台上, 180?C, 5 min, 自然降温到135?C, 保持10 min, 最后自然冷却到室温, 获得PFO薄膜.

  2.4 压印F8BT薄膜

  将共轭高分子聚(9.9-二辛基芴共苯并噻二唑) (F8BT, 型号为ADS133YE, 美国Dye Source公司)充分溶解在甲苯溶液中, 配得15 mg·mL?1F8BT溶液, 3000 r·min?1的转速旋涂在干净的单抛硅片上, 匀胶时间1 min, 置于热台上, 160?C,3 min, 自然降至室温, 获得FBT薄膜.

  3 结果与讨论

  3.1 基于图案化光刻胶母模板的PDMS软模板转移压印技术的优势

  基于光刻胶母模板的PDMS软模板制备方法是将电子束直接在电子光刻胶PMMA薄膜表面曝光形成所需的图形(本实验中设计为260 nm线宽、520 nm周期的光栅结构, 如图1(b)所示); 然后将PDMS铺在图案表面, 由于PDMS的重力作用, 待其交联后揭下, 即可以复制出PMMA的结构, 如图2(b)所示. 通过上述方法可以制备出任意结构的PDMS软模板. 在纳米压印中, 模板是非常重要的, 决定了图案的分辨率. 由于纳米压印技术是利用压力作用在高分子表面形成图案, 传统的纳米压印工艺多选择硬材料制作压印模板, 所以模板必须具有高硬度、小的膨胀系数和良好的抗粘性. 但是硬模板由于制作成本高, 工艺难度大, 很难被普及.下面将从PDMS 模板结构的获得、模板的性能和转移压印的效果三方面阐述本文PDMS模板制作技术的优点.

  3.1.1 PDMS模板结构的获得

  该过程只涉及图案化光刻胶和转移至PDMS两步, 相较于传统的模板制备技术, 这种基于光刻胶母模板的PDMS软模板制备方法只需光刻胶图案作为初始结构定义, 无需硬质模板, 免除掩膜和刻蚀过程中带入的缺陷, 同时降低了初始定义的成本. 5(a), (b)即为相同周期结构在从PMMA 转移到硅基衬底上时由于掩膜过程中金属蒸镀的微小不均匀而引入的缺陷. 直接利用PMMA的图案作为母模板将大大降低在转移过程中引入缺陷的可能性.

  3.1.2 PDMS模板的转移压印效果

  制 得 的PDMS软 模 板 被 用 来 压 印PFOF8BT这两种广泛使用的共轭高分子, 从图3(b)和图4中可以看出, 压印后的PFO 薄膜和F8BT薄膜, 结构高度均匀, 宽度均一. 上述软模板压印技术得到的高分子光栅的尺寸和原始设计的PMMA模板的光栅尺寸是相符的, 完全可以实现压印的目的.

  3.2 软模板纳米压印对共轭高分子的取向控制

  我们利用TEM的衍射花纹对光栅结构的P-FO薄膜进行了分子链排布情况分析, 如图6所示.100 kV的电压下可以观察到清晰的月牙形衍射花纹, PFO正交晶系中, 单胞的尺寸分别为a = 2.56 nm, b = 2.38 nm, c = 3.32 nm, a 轴垂直于共轭面, c轴沿着共轭链即高分子链主链的方向, b轴则在共轭面内与c轴垂直的方向, 所以图中TEM 衍射环分别对应(060)面和(008). 从弥散环的分布来看, (008)面是沿着光栅有序排列的,(060)面是垂直于光栅有序排列的. 因此PFOc 轴沿着光栅条纹的方向, b 轴垂直于光栅条纹的方向. 也就是说, 带有光栅结构的PFO薄膜中, 聚合PFO的主链主要是沿着光栅条纹方向排布的.在软模板压印过程中, 光栅结构的凹槽部分为高分子的自组装提高了受限环境, 在充分受限的压印过程中, 由于高压和高受限环境, 高分子的成核、晶核生长将会发生变化, 这就使得高分子链段容易沿着自由度较大的光栅方向排列. 在硬模板压印实验中, 我们已经发现纳米级的周期受限环境会导致共聚物的分子链发生归一化取向, 这种受限下的取向将会对共聚物的载流子迁移特性和液晶弹性体的光活性产生很大的贡献, 从而提升器件性能. 在本实验中, 聚合物在软模板受限环境中同样发生了取向的调控, 这将对基于PFO等共轭聚合物器件的制备和研究产生重要的影响.

  4 结 论

  本文以光刻胶PMMA的图案为母模板, 复制纳米压印所使用的PDMS软模板, 一方面简化了传统硬模板在制作工艺中的复杂流程, 降低了制作成本, 另一方面相较于荷叶或者多孔氧化铝等自组装模板, 具有更精确的结构和更有序的排布. 本文所设计的PDMS软模板两步制备法不但可以发扬软模板在一些高粗糙度表面的使用优势, 而且可以使母模板的设计, 更灵活, 进一步拓展了纳米压印技术的适用范围. 利用此方法制备的PDMS软模板成功地实现了光栅特征尺寸的传递, 并可适用于多种共轭高分子的图案化. 此外我们还发现, 在具有高纵宽比的光栅结构中, 共轭高分子主链的取向发生了变化, 在纳米压印的同时实现了主链的可控取向, 这将对提升有机发光器件的性能有重大的现实意义.

 

作者  | 2017-7-12 16:59:50 | 阅读(5) |评论(0) | 阅读全文>>

浅谈原子力显微镜( AFM) 应用于纳米科学中的进展

2017-7-12 16:15:46 阅读4 评论0 122017/07 July12

  扫描探针显微镜( Scanning Probe MicroscopySPM) 以其较强的原子和纳米尺度上的分析加工能力,在纳米科学技术的发展中占据极其重要的位置。扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜( STM) 基础上发展起来的。1982 年,德国物理学家GBinnig H Rohrer发明了具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling MicroscopeSTM) ,它使人类第一次能够直观地看到物质表面上的单个原子及其排列状态,并深入研究其相关的物理化学性能。因此,它对物理学、化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和深远的影响。STM 的发明被公认为20 世纪80 年代世界十大科技成果之一。Binnig Rohrer 因此获得了1986 年诺贝尔物理学奖。原子力显微镜是SPM 家族中最重要的成员之一。1986 Binnig 等人[4]为了弥补STM 不能对绝缘样品进行检测和操纵而发明了原子力显微镜( Atomic Force MicroscopyAFM) AFM 由于不需要在探针与样品间形成导电回路,突破了样品导电性的限制,因此使其在科研应用领域更加广阔。

  1 AFM 的工作原理

  AFM 的工作原理分为探测系统和反馈系统两大部分。探测系统包括探针用以感受样品的表面信息、激光系统用以收集探针上的信号,反馈系统的功能是控制探针的相对高度,以保证探针能够保持一定高度从而顺利探测到样品信息。AFM 在扫描图像时,针尖与样品表面轻轻接触,而针尖尖端原子与样品表面原子间存在微弱的相互作用力,会使悬臂产生微小变化。这种微小变化被检测出并用作反馈来保持力的恒定,就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化,从而获得样品表面形貌的图像。AFM 的工作模式是以针尖与样品之间作用力的形式来区分主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式三种工作模式。探针针尖是AFM 的核心部件( 如图2) ,探针针尖的几何参数、物理性能等将显著影响原子力显微镜的成像分辨率。传统AFM 敲击模式微悬臂/针尖一体化的硅针尖,由于硅探针硬脆,其本身不仅容易磨损,降低探针使用寿命,而且成像过程中易损害扫描的样品,特别是检测生物等柔软样品。后有研究者对硅探针进行深入研究和改进,提高其灵敏度和使用范围,或使用其它材料如碳材料制备的探针等。AFM 在纳米科学中应用的研究进展纳米科技作为当前的热点研究的科学领域,如何对这一尺度内的材料、器件的结构和性能以及科学现象进行观测表征,这关系到人们能够在多大的限度内开展纳米科技的研究,因此,纳米检测技术就变得尤为重要。AFM 的应用无疑是对纳米科技的发展和进步起到必要的检测保证。本文从AFM 对纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等三个方面对其进行综述。

  2. 1 外貌特征观察

  通过检测探针与样品间的作用力可表征样品表面的三维形貌,这是AFM 最基本的功能。AFM 在水平方向具有0. 1  0.2nm 的高分辨率,在垂直方向的分辨率约为0. 1nm。由于表面的高低起伏状态能够准确地以数值的形式获取,因此AFM对表面整体图像进行分析可得到样品表面的粗糙度、颗粒度、平均梯度、孔结构和孔径分布等参数,也可对样品的形貌进行丰富的三维模拟显示,使图像更适合于人的直观视觉,因此AFM 对纳米材料或是微纳米电极的外貌特征的表征有着广泛的应用。邵丽等人应用AFM 对胞外多糖S2 在水溶液中的表观形貌进行观察。结果表明: 不同质量浓度的胞外多糖S2AFM 成像,得到了不同形貌多糖分子聚集行为的图像。随外貌发生从膜状、岛屿状、网格状到单链/双链结构的变化。Sangmin 等人通过移液管制备5nm Au 纳米粒子、纳米线和聚二甲基硅氧烷( PDMS) 沉积到基板纳米/微孔材料,并应用AFM 对石英音叉( QTF) 传感器进行了表面表征。Li 等人应用AFM 对制备的二氧化硅、金、石墨烯等包覆石墨烯的纳米材料进行了外貌表征和结合能检测。Mo 等人应用AFM 对通过自组装技术使不同的纳米材料修饰硅表面进行动力学和外貌的表征。Umeda 等人应用AFM 对制备的Pt 纳米颗粒沉积修饰玻碳电极进行了外貌表征,成功地实现了直径为30 60nm Pt 纳米颗粒在任意间距的沉积。

  2. 2 力学分析

  研究材料的微观作用力是对于了解它们的结构和性能具有重要意义。L 利用AFM 能获得探针针尖与样品间力距的关系曲线,几乎包含了所有样品和针尖之间相互作用的必要信息,利用力曲线分析技术就能给出特定分子或基团与纳米材料表面的黏附力值等物理性质。张慧等人研究报道用原子力显微镜采用Pead Force Tapping 模式对高分子材料进行力学性能表征时,选择不同弹性系数的探针对测试结果的影响关系。Rakshit 等人在单分子水平上利用AFM 拉伸带电多糖分子得到力- 距离关系曲线,表明存在阶梯状构象改变,早期力值为60  73pN,并且受到pH 值和离子的影响。Krishnat 等人报道了利用三维轻敲模式原子力显微镜迅速( 10 毫秒) 、精确( σ≤17pN) 地测量玻璃基板三维作用力分量。通过直接探测交互组件的FxFy Fz 动力学模型,从而为提供一个更完整、多个条件的三维原子力显微镜操作视图的基础。Walczyk 等人报道AFM 轻敲模式考察了氩表面纳米气泡和针尖之间的相互作用,研究了具有亲水性和疏水性的针尖位置的纳米气泡函数。研究表面纳米气泡的分布更接近于一个几乎平坦的气泡形状,拉普拉斯压力非常接近大气压力。Lee报道了用AFM分别对卷曲状和双夹层型的碳纳米管的力学性能进行了研究。

  2. 3 纳米材料加工

  扫描探针纳米加工技术的基本原理是利用探针- 样品纳米可控定位和运动及其相互作用对样品进行纳米加工操纵,从而可以对纳米生物材料进行纳米级操纵加工,制备得到科学家所预设的样品。常用的基于AFM 的纳米加工技术包括机械操纵和蘸笔纳米刻蚀技术等,通过对AFM 进行升级从而实现对纳米材料的操纵加工功能。Chen 等人应用AFM Si{ 111}晶面进行分析,比较分析了硅纳米线在不同的刻蚀的速率、电压等方面对刻蚀效果的影响。Yan 等人开发出了与AFM 联用的闭环纳米尺度精确控制台,从而能够根据预先的设计加工制备得到可控和可重复的纳米结构图像。Zhang 等人通过AFM 纳米操纵消除纳米线上的缺陷,实现了纳米线在指定位置和方向上的延展,他们应用此方法制备得到了精确的“NANO”图案。Abdellaoui 等人研究了n GaAs 纳米晶体的电化学蚀刻,利用AFM 分析研究不同酸蚀时间得到的多孔层,控制制备工艺得到薄膜的结构与晶粒尺寸接近7 nm 的纳米晶体。Lee等人运用刻蚀技术制作石墨烯平面晶体管。Alexei 等人基于AFM 的纳米光刻技术在硬质材料如硅表面制备槽阵列30 100 nm 间距和深度5  32 nm的应用。

  除以上所述,AFM 在其它方面如结构分析、晶体分析、生物医学等都有广泛的应用和发展。

  3 结语

  综上所述,AFM 由于操作简单,对样品要求不高,高分辨率,可检测样品的范围广等优点,使其具有越来越广阔的应用前景。利用AFM 可以很好的研究纳米材料的外貌特征观察、力学分析、纳米材料加工等方面的特性。随着计算科学技术的进步,AFM 将在纳米材料领域的研究中发挥更大的作用。

 

作者  | 2017-7-12 16:15:46 | 阅读(4) |评论(0) | 阅读全文>>

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