【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交大機(jī)械與動力工程學(xué)院智能制造與信息工程研究所朱利民教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于粘滑納米定位器的跨尺度高帶寬原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)，突破了基于直驅(qū)納米定位器的傳統(tǒng)AFM在工作空間與控制帶寬間的制約。研究成果“Cross-scale high-bandwidth atomic force microscopy with a stick-slip nanopositioner”發(fā)表在Nature Communications上。博士后王湘元為論文第一作者，朱利民教授為通訊作者。
 

　　AFM是納米尺度測量與表征的重要儀器，其核心部件—納米定位器通過精確調(diào)控探針與樣品間的相對掃描運(yùn)動，使AFM具有原子級水平的分辨能力。目前，主流AFM均采用直驅(qū)納米定位器生成掃描運(yùn)動，然而該技術(shù)方案存在工作空間和諧振頻率之間的矛盾，無法兼顧AFM對成像范圍和帶寬的需求。發(fā)展基于新原理、兼具大工作空間和高帶寬的高性能AFM納米定位技術(shù)，是AFM面向跨尺度、高帶寬應(yīng)用亟待突破的難題。
 

團(tuán)隊(duì)提出的粘滑AFM納米定位器
 

　　針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)以粘滑納米定位器為研究對象，利用其步進(jìn)模式實(shí)現(xiàn)宏觀尺度的大范圍定位，利用掃描模式實(shí)現(xiàn)納米級的精密運(yùn)動，并發(fā)現(xiàn)其在掃描模式下具有與直驅(qū)納米定位器相似的動力學(xué)特性。基于此，團(tuán)隊(duì)提出一種三階段控制算法：在具有最優(yōu)頻率和幅值的鋸齒波電壓信號驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)高速步進(jìn)；采用環(huán)繞狀態(tài)積分控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)、掃描兩模式間的無縫切換；通過阻尼-跟蹤控制器實(shí)現(xiàn)掃描模式下的高帶寬控制。在該控制算法的加持下，研究提出的粘滑納米定位器實(shí)現(xiàn)了3 mm×3 mm的工作空間、>295 Hz的控制帶寬、3.2 nm的重復(fù)定位精度以及>23.1 mm/s的步進(jìn)速度。這些優(yōu)異特性的結(jié)合使得一系列先進(jìn)的納米定位任務(wù)得以實(shí)現(xiàn)，包括高速跨尺度納米定位與跟蹤，以及高帶寬AFM掃描等。
 

跨尺度高帶寬AFM抽樣成像實(shí)驗(yàn)：系統(tǒng)照片、樣品、流程及結(jié)果
 

跨尺度高帶寬AFM拼接成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

與現(xiàn)有納米定位技術(shù)和AFM技術(shù)的特性對比
 

　　研究將所提出的粘滑納米定位器與AFM測頭集成，實(shí)現(xiàn)了毫米級空間范圍內(nèi)，對光柵樣品和芯片樣品的跨尺度高帶寬抽樣成像和拼接成像。在保證成像質(zhì)量的前提下，掃描線頻率高達(dá)40 Hz，相較于傳統(tǒng)的具有毫米級工作空間的直驅(qū)AFM納米定位器，提升了1至2個(gè)數(shù)量級。該研究表明，通過恰當(dāng)?shù)目刂?，典型的粘滑納米定位器亦可滿足AFM成像所需的精度與帶寬需求。這一成果突破了AFM掃描運(yùn)動只能由直驅(qū)納米定位器生成、粘滑納米定位器只能滿足靜態(tài)納米定位或大范圍粗定位的傳統(tǒng)認(rèn)知，并為下一代AFM提供了跨尺度、高帶寬、低成本的納米定位解決方案。
 

　　該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。