具有三维力反馈的原子力显微镜纳米操作系统

　　1　引　　言

　　近年来,原子力显微镜[1](atomic force micro2scope,AFM)不仅用于样本表面的高精度成像,也越来越多地应用到纳米操作中。针对AFM,学者们提出了一些纳米操作方法,并实现了对纳米微粒的操作[225]。但在上述基于AFM的纳米操作中,其基本规律是先扫描成像,再根据得到的图像进行离线规划,之后AFM系统根据规划好的程序进行操作,再后进行扫描验证,如此往复循环,形成扫描-规划-操作-扫描的操作模式。由于此操作模式在操作过程中缺乏实时反馈信息,探针在运动过程中对微粒作用与否及作用效果如何无法得知(如操作时探　针是否作用在微粒上以及是否推动微粒等),这样每步操作的结果无法实时得到,而只能通过重新扫描成像来验证,但由于每次扫描成像时间一般需几分钟,很显然这种操作方式效率低且灵活性差。另　　由于在操作过程中缺乏探针的受力信息,很容易造成探针的损坏。

　　对此,有学者尝试将AFM与力/触觉设备结合起来辅助纳米操作[627],采用一单自由度触觉设备来感知作用在AFM探针上的法向力。但一方面,在它们的力获取计算公式中,由于许多参数(如毛细力时液体厚度、针尖-物体间距等参数)无法准确获得,造成实际无法准确获得此法向力的大小;另一方面,由于缺乏作用在探针水平方向的力反馈信息,无法对纳米操作环境进行全面感知,不利于对操作进行在线规划,而且当探针受到过大横向力时,由于操作者无法感知横向力信息而易造成探针的损坏。

　　针对上述问题,本文通过对AFM探针受力-悬臂变形进行分析,并利用位置敏感检测器(posi2tion sensing detector,PSD)来检测悬臂的变形,从而得出探针所受的三维纳米力,将此三维纳米力经比例放大后送入力/触觉设备提供给操作者进行感知,操作者可以获得实时的操作进展情况信息,并据此通过控制力/触觉设备的操作手柄来控制探针的运动。这样,操作者就可以在实时力/触觉反馈的辅助下进行纳米操作,操作的效率与灵活性明显提高,并可以避免探针受到过大作用力而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管(multi2wall carbon nanotube,MWCNT)的操作实验验证了该纳米操作系统的有效性。

　　2　三维纳米力建模

　　2.1　AFM探针悬臂受力-变形建模

　　常用于纳米操作的AFM探针分矩形悬臂探针与三角形悬臂探针两种,其中矩形悬臂探针如图1所示。

　　在用AFM探针进行纳米操作时,探针针尖受到各种纳米力(如范德华力、毛细力、静电力、排斥力、摩擦力等[8])的共同作用,从而使悬臂产生垂直面内的弯曲与绕其中心轴的扭转变形,将其合力分解为沿三轴方向的分力Fx、Fy和Fz,如图2所示.