原子力顯微鏡成像與納米操作控制的研究.pdf

1、自問世以來,原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)已經(jīng)逐步發(fā)展成為微/納米領(lǐng)域成像和操作的基本工具,在生物、材料、化學(xué)以及物理等學(xué)科得到了廣泛應(yīng)用,被研究者稱為納米科技的"眼"和材手"。因此,它的研究進(jìn)展在整個(gè)微/納米領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用,近年來已經(jīng)成為微/納米研究領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一,其突破將有可能為微/納米領(lǐng)域的研究帶來新的發(fā)展契機(jī)。
　　 雖然原子力顯微鏡已經(jīng)在微納米領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但其

2、相關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)未發(fā)展成熟。具體而言,當(dāng)前的原子力顯微鏡系統(tǒng)還存在以下方面的一些問題:(1)在成像方面,由于原子力顯微鏡系統(tǒng)復(fù)雜的非線性特性,它的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往重復(fù)性不高;此外,該系統(tǒng)存在操作復(fù)雜、系統(tǒng)帶寬窄、掃描速度慢以及對噪聲干擾敏感等缺點(diǎn),這些問題妨礙了它得到更進(jìn)一步的應(yīng)用。(2)在納米操作方面,一般的原子力顯微鏡不能直接應(yīng)用于納米操作,需要對其硬件和軟件環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)之后才能完成納米操作任務(wù)。在納米定位方面,雖然原子力顯微鏡使用的管

3、式壓電掃描驅(qū)動器具有納米級的分辨率,但是由于其遲滯特性,碗狀的運(yùn)動耦合誤差以及其他不確定性,使得將探針針尖準(zhǔn)確定位到指定位置來實(shí)現(xiàn)納米操作十分困難。因此,當(dāng)前基于原子力顯微鏡的納米操作效率和成功率非常低下。
　　 綜上所述,原子力顯微鏡在成像以及納米操作中仍然有許多問題亟待解決。在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下,論文對國內(nèi)外原子力顯微鏡相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面分析;在此基礎(chǔ)上,論文針對原子力顯微鏡成像與納米操作的一些關(guān)鍵問題

4、展開了深入研究。
　　 (1)原子力顯微鏡系統(tǒng)建模與仿真。由于原子力顯微鏡系統(tǒng)的復(fù)雜性,很難對其全部的動力學(xué)特性進(jìn)行機(jī)理建模。因此,論文通過實(shí)驗(yàn)手段對系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行了標(biāo)定和建模,主要包括壓電掃描器、激光接收器以及放大器等;對懸臂梁以及探針針尖一樣品之間的相互作用力進(jìn)行了機(jī)理模型分析。基于上述完整模型,在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建了輕敲原子力顯微鏡仿真平臺,通過對原子力顯微鏡中推拉遲滯和雙穩(wěn)態(tài)兩種非線性現(xiàn)象的仿真

5、,證明了該仿真平臺的有效性。
　　 (2)基于繼電反饋的原子力顯微鏡比例積分(Proportional Integral,PI)控制器參數(shù)自整定。原子力顯微鏡在組件以及掃描速度發(fā)生變化時(shí),通常需要對PI控制器的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整,這給操作者帶來了很大的困難。為了提高系統(tǒng)的易用性,本文利用繼電反饋方法對原子力顯微鏡的PI參數(shù)進(jìn)行自整定。具體而言,受到繼電反饋的激勵,原子力顯微鏡系統(tǒng)會產(chǎn)生極限環(huán)。根據(jù)極限環(huán)的信息,可以辨識得到系統(tǒng)的臨

6、界增益和周期,然后利用Ziegler-Nichols公式對PI參數(shù)進(jìn)行整定。實(shí)驗(yàn)表明,這種基于繼電反饋的方法能夠辨識出各種組件變化對系統(tǒng)帶來的改變;并且根據(jù)掃描速度適當(dāng)調(diào)整PI參數(shù)后,系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。
　　 (3)輕敲原子力顯微鏡H∞控制器設(shè)計(jì)與仿真。針對原子力顯微鏡系統(tǒng)帶寬窄,對噪聲干擾敏感等缺點(diǎn),論文設(shè)計(jì)了H∞魯棒控制器。具體而言,針對壓電陶瓷和懸臂梁模型,本文利用H∞混合靈敏度設(shè)計(jì)方法,通過引入誤差、控制量以及輸出的

7、權(quán)值函數(shù)對所要設(shè)計(jì)的控制器性能指標(biāo)進(jìn)行量化,從而使得設(shè)計(jì)的控制器能有效地阻尼系統(tǒng)的共振頻率。通過對各種樣品進(jìn)行跟蹤仿真測試表明:H∞魯棒控制器能夠較好地跟蹤各種波形,并且它可以使針尖與樣品間的作用力維持在幾十個(gè)納牛左右;此外,該控制器相對PI控制器具有更好的噪聲抑制作用,對于模型不確定性也有良好的魯棒性。
　　 (4)壓電掃描管精確定位探針研究。探針納米定位是納米操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對管式壓電掃描器對探針進(jìn)行納米定位的問題,論

8、文提出了一種分步定位的方法,實(shí)現(xiàn)了納米級別的定位精度。其主要步驟如下:(a)針對驅(qū)動器的遲滯現(xiàn)象,首先對標(biāo)定光柵進(jìn)行成像,并通過特征點(diǎn)提取和分析可以得到遲滯回線;利用曲線擬合的方法,計(jì)算出所需要補(bǔ)償?shù)碾妷?從而實(shí)現(xiàn)遲滯特性的有效補(bǔ)償:(b)對于其他誤差如結(jié)構(gòu)誤差和耦合誤差等,利用探針對標(biāo)定樣品進(jìn)行壓印,通過壓印圖像可以計(jì)算期望位置與實(shí)際位置的誤差,通過補(bǔ)償該誤差可以實(shí)現(xiàn)探針的粗定位;(c)對于熱漂移以及粗定位的誤差,使用局部掃描的方法來