基于随机方法的AFM探针实时定位与操作研究

The atomic force microscope (AFM) has become a preference tool with its high resolution, good repeatability and strong controllability. And it has been widely used in micro-nano device assembly. While it has been developed for about 10 years, the problems of lacking precise positioning in the task space and non-stable operation resulted from single probe are not well resolved yet, and hinders the in-depth development of the AFM nanomanipulation. As for these problems, this application combines the stochastic thoughts with landmark observation, and realizes the precise positioning of the probe without the precise sensor. Meanwhile the technique research of virtual clap based on simultaneous multiple operations is developed, by using single probe to achieve the operation effect of multi-probes, and the operation issues of non-stability caused by single probe is solved. The main research contents include the following: the landmark observation method based on the local scan; the probe movement model based on probabilistic thought; the theoretical analysis and trajectory optimization of virtual clap; the verification of the validity and the advancement of the theory method of the probe precise positioning and stable operation through establishing the CNT, ZnO-based nano-sensor prototype device, which provided new theoretical methods and ways for the research of AFM nano-automation operation.

原子力显微镜（AFM）以其成像分辨率高、重复性好、可控性强的特点而成为纳米操作的首选工具，在微纳器件装配中得到广泛应用；然而经过近10年的发展，缺乏任务空间的精确定位能力以及单探针导致的非稳定操作等问题仍然没有得到很好解决，阻碍着AFM纳米操作的深入发展。针对上述问题，本申请将随机思想与路标观测相结合，在无精确传感器条件下实现探针的精确定位；同时开展基于并发操作的虚拟夹具技术研究，通过单根探针达到多探针的操作效果，解决单探针导致的非稳定性操作问题。主要研究内容包括：基于局部扫描的路标观测方法；基于概率思想的探针运动模型；虚拟夹具的理论分析与轨迹优化；并在理论研究基础上，通过建立基于CNT、ZnO的纳米检测传感器原型器件，验证理论方法在探针精确定位和稳定操作中的有效性和先进性，为AFM纳米自动化操作研究提供新的理论方法与途径。

为解决原子力显微镜（AFM）缺乏任务空间的精确定位能力以及单探针导致的非稳定操作等问题，本项目主要进行了基于局部扫描的路标观测方法；基于概率思想的探针运动模型；虚拟夹具的理论分析与轨迹优化方面的研究。针对探针的定位问题，本研究在参考宏观机器人定位（SLAM）方法后，通过对AFM中PZT的运行特性进行大量实验统计，提出了基于随机方法的探针定位策略，并建立基于路标的观测模型和探针运动模型。探针在运动过程（局部扫描）中观测路标，将探针的运动过程（局部扫描）与路标观测结合起来实时降低探针位置的不确定性分布。探针运动模型是在随机统计方法的基础上，综合考虑PZT滞环、蠕变与温漂等因素，用概率方式进行描述探针的位置分布和估算探针的位置。将探针运动模型和路标观测模型相结合，应用Kalman滤波器方法对探针位置进行最优估算，从而实现探针在任务空间中的精确定位。在虚拟夹具的理论分析方面本研究建立了基于最小作用量原理的纳米颗粒操作模型，利用蒙特卡洛方法及龙格库塔方法求解模型，获得方程数值解，从而进行虚拟夹具探针运动路径的规划。在理论研究基础上，项目建立基于CNT，ZnO的纳米检测传感器原型器件，验证理论方法在探针精确定位和稳定操作中的有效性和先进性。实验结果表明在无位置传感器实时精确定位情况下，本研究方法将探针定位误差缩小到操作范围的＜1%，且实现了复杂情况下纳米粒子和纳米管的稳定操作，并将纳米管的定姿态操作倾角误差控制在＜5°范围内。将随机思想与路标观测相结合，能够实现探针在任务空间内的精确定位；同时基于并发操作的虚拟夹具技术，通过规划探针的运动路径和参数能够以单根探针实现多探针并行操作的效果，解决了单探针导致的非稳定性操作问题，为AFM纳米自动化操作研究提供新的理论方法与途径。