【儀表網 研發快訊】近日，上海交大機械與動力工程學院智能制造與信息工程研究所朱利民教授團隊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)，突破了基于直驅納米定位器的傳統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控探針與樣品間的相對掃描運動，使AFM具有原子級水平的分辨能力。目前，主流AFM均采用直驅納米定位器生成掃描運動，然而該技術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，是AFM面向跨尺度、高帶寬應用亟待突破的難題。
團隊提出的粘滑AFM納米定位器
針對這一問題，研究團隊以粘滑納米定位器為研究對象，利用其步進模式實現宏觀尺度的大范圍定位，利用掃描模式實現納米級的精密運動，并發現其在掃描模式下具有與直驅納米定位器相似的動力學特性。基于此，團隊提出一種三階段控制算法：在具有最優頻率和幅值的鋸齒波電壓信號驅動下實現高速步進；采用環繞狀態積分控制器實現步進、掃描兩模式間的無縫切換；通過阻尼-跟蹤控制器實現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現了3 mm×3 mm的工作空間、>295 Hz的控制帶寬、3.2 nm的重復定位精度以及>23.1 mm/s的步進速度。這些優異特性的結合使得一系列先進的納米定位任務得以實現，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抽樣成像實驗：系統照片、樣品、流程及結果
跨尺度高帶寬AFM拼接成像實驗結果
與現有納米定位技術和AFM技術的特性對比
研究將所提出的粘滑納米定位器與AFM測頭集成，實現了毫米級空間范圍內，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。在保證成像質量的前提下，掃描線頻率高達40 Hz，相較于傳統的具有毫米級工作空間的直驅AFM納米定位器，提升了1至2個數量級。該研究表明，通過恰當的控制，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掃描運動只能由直驅納米定位器生成、粘滑納米定位器只能滿足靜態納米定位或大范圍粗定位的傳統認知，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研發計劃和國家自然科學基金的資助。
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