扫描探针精密测控中若干关键技术的研究

摘要

扫描探针技术（SPM）作为微纳米领域的一种重要的表征、测试及操纵手段，由于具有纳米级分辨力，它在生物、物理、化学、材料及半导体工业等领域有着广泛的应用，而利用SPM快速获得精确的测试结果依然面临许多挑战。本文围绕扫描探针精密测控中的重要关键技术，结合原子力显微镜（AFM）在快速成像技术方面的应用，提出了高效的扫描方法和新颖的控制算法并搭建AFM系统进行实验，这些方法有效改善了AFM成像的效率和准确度；结合AFM在生物单分子操纵技术方面的应用，设计了分子标尺方法，实现了对不同仪器测试结果的有效对比。本文的研究成果实现了对扫描探针的精密测控，为高速AFM和单分子力谱精密测试的实现提供了新思路。论文的主要内容和创新点包括：
　　1.系统地分析了扫描探针精密测控技术的重要理论，包括微悬臂梁的作用模型、压电陶瓷驱动器的动态特性及Z向反馈控制算法的响应特性等，总结得出影响测试效率及准确性的主要因素；
　　2.对压电陶瓷驱动器的共振频率进行了测试，提出了正弦波扫描方法与线性位移校正方法相结合的新型扫描技术，有效避免了压电陶瓷驱动器的高频振动特性，大大提高了扫描速度，同时保证了扫描图像横向的准确度；
　　3.分析了Z向反馈控制算法对扫描速度的限制，创新性的将智能模糊PI（比例积分）控制算法应用于Z向反馈控制，使得系统能够根据被测样品表面形貌信息对比例积分参数进行自整定，提升了Z向的响应速度，增强了扫描图像形貌信息的准确度，为高速扫描的实现提供了空间；
　　4.对Z向的动态特性进行了系统辨识，提出了速率自适应算法，创新性的将横向与纵向的信息相关联，使得系统能够自动的依据Z向的控制偏差信息设置不同的横向扫描速度，达到了扫描速率自适应样品表面形貌变化的目的。该方法能够合理分配扫描时间，将一幅图像获取时间由100s提升至20s，有效改善了测试效率和测试准确度；
　　5.针对AFM在生物单分子操纵领域的应用，提出了分子标尺法，基于单个氨基酸长度固定的特点，利用差分测试方法得到不同测试系统对应的单个氨基酸的长度，并将该长度作为标尺实现了对不同AFM系统的Z向位移特性的统一精密标定。该方法使得研究人员能够利用不同的设备获得蛋白分子熵变过程中精确的结构变化信息，解决了力谱测试中精密度较高但准确度不高的问题，并提升了单分子力谱测试分析的效率。

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第一章 绪论

1.1 纳米测试技术

1.2 扫描探针显微镜技术

1.3 扫描探针精密测控中的关键技术的研究现状

1.4 课题研究意义和主要工作

第二章 扫描探针精密测控技术理论分析

2.1 AFM的探针Z向弯曲检测原理

2.2 微悬臂梁

2.3 压电陶瓷驱动器的理论分析

2.4 Z向反馈控制算法理论分析

2.5 本章小结

第三章 扫描探针精密测控技术实现方法

3.1 快速成像技术实现方法

3.2 基于AFM的单分子力谱精确测试方法

3.3 本章小结

第四章 AFM快速成像技术应用实验

4.1 AFM扫描成像实验系统

4.2 AFM正弦波扫描实验

4.3 基于智能模糊PI控制算法的AFM系统扫描实验

4.4 基于速率自适应算法的AFM系统扫描实验

4.5 本章小结

第五章 基于AFM的单分子力谱精确测试实验

5.1 基于AFM的单分子力谱实验系统

5.2 分子标尺法的实验结果

5.3 分子标尺方法验证实验

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢