[01146017]高性能非接触原子力显微镜系统设计与应用

原子力显微镜为微纳米技术的发展提供了纳米/原子级的测量/加工工具，因此它的研究进展在整个微纳米领域中起着举足轻重的作用，并逐渐发展成为近年来微纳米研究领域的核心问题之一，其突破将极有可能为微纳米领域的研究带来新的发展契机。在国家自然科学基金（60574027）支持下，该项目针对目前原子力显微镜中存在的一些典型问题展开研究，主要取得以下研究成果：（1）针对普通的扫描探针显微镜进行改造，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，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，以便于测试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、带宽窄等缺陷，设计了多种先进控制算法，从而将针尖与样品之间的距离快速稳定到设定值。这些控制方法主要包括：对压电陶瓷迟滞非线性的前馈补偿；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；轻敲原子力显微镜鲁棒控制算法。（4）针对原子力显微镜静态成像的缺陷及图像噪声等问题，提出了基于系统动态特性的成像方法，并将小波技术应用于原子力显微镜图像处理中，有效改善了系统的成像性能。（5）针对生物研究和高密度存储等具体应用，该项目选择了数种不同的样品，在纳米操作方面展开了探索性研究。该项目所取得的成果解决了商用原子力显微镜普遍存在的成像精度低、速度慢的问题，具有方便实用的特点，对于要求越来越高的纳米技术而言具有重要的实际价值，因而该成果的应用前景非常广阔。