[01733626]高性能原子力显微镜系统研制

原子力显微镜能够观测到样品纳米/原子级表面形貌，是一种广泛应用在纳米科技领域的科学仪器。由于受到系统中复杂的非线性特性影响以及现有的控制算法的限制，它在成像速度与图像准确度方面性能较差，难以满足快速发展的纳米研究的要求。为了进一步提升原子力显微镜的成像性能，使之能够满足实时监测快速生物过程等要求，课题组在国家自然科学基金“高性能非接触原子力显微镜系统设计与应用”（批准号：60574027）等项目资助下，在原子力显微镜系统设计与研制、压电扫描器非线性特性补偿、反馈控制算法设计与实现，原子力显微镜动态成像以及纳米操作等方面展开研究，主要取得以下研究成果： 1）在通常的原子力显微镜的基础之上，设计并实现了一个基于RT-Linux的开放式纳米测量与操作系统。 2）针对原子力显微镜系统中的复杂非线性因素，完成了理论分析与建模，并利用前述实验平台，采集数据完成AFM模型中的参数辨识。在此基础上，搭建了一个仿真平台，以便于研究各种扫描和成像方法。 3）针对目前原子力显微镜控制算法存在的精度低、扫描速度慢等缺陷，设计了多种先进控制和样品扫描算法，包括对压电陶瓷迟滞非线性的前馈补偿策略，基于预测轨迹逆控制的扫描方法，针对周期性样品的自学习控制快速扫描策略等。它们可以将针尖与样品之间的距离快速稳定到设定值，因此有效地提高了扫描速度，减小了测量过程中对探针和样品的伤害。 4）针对现有的原子力显微镜静态成像方法的缺陷及图像噪声等问题，研制了基于系统动态特性的成像技术，提升了系统在高速扫描时的成像性能。 5）针对生物研究和高密度存储等具体应用，本项目选择了数种不同的样品，在纳米操作方面展开了研究。 和已有技术相比，本项目所取得成果达到的性能与主要先进性如下： 1) 基于RT-Linux的开放式纳米测量与操作系统控制周期可至50us； 2) 在非接触模式下，所设计的非线性观测器可实现对样品与微悬臂尖端之间距离的实时准确估计； 3) 基于图像的迟滞建模与补偿控制算法，有效消除了图像畸变的影响； 4) 基于学习算法的先进扫描模式可以显著提高对于周期性样品的测量速度和精度； 5) 基于压电驱动器动态特性的成像技术提高了快速扫描时的成像结果，可将扫描速度提高至20Hz。 对于这些研究结果，均已通过实验方法验证了其优良的性能，特别是动态成像、快速扫描等研究成果已经在生命科学领域得到了实际应用。并且，在研究后期，项目组将部分研究成果在本原公司产品上进行了实现，已进入公司内部测试阶段。本成果的研制可以提高我国在纳米科技仪器方面的研究水平，促进我国纳米科技的迅速发展。