针对样本扫描模式原子力显微镜,对其管式扫描器-样本-探针系统进行了运动学分析,建立了该系统的运动学模型,该模型表明:对于给定原子力显微镜扫描器,样本上与探针接触点的横向和纵向位移取决于探针尖端相对于扫描管轴心的偏置量、所加电压(或名义扫描范围)及样本厚度.据此模型,对由于弯曲运动模式所产生的两种重要误差-交叉耦合误差及扫描范围误差进行了定量分析,分析表明:扫描范围误差主要受样本厚度及名义扫描范围影响,而Z向交叉耦合误差主要受探针偏置量及名义扫描范围影响,实验验证了所建立的运动学模型和误差计算公式的正确性;另外,还提出了相应的减小误差的方法.

在基于原子力显微镜的纳米操作过程中，由于缺乏实时反馈信息，造成纳米操作效率低下且灵活性差，同时探针因受力过大而损坏。为此，本文通过对探针受力-悬臂变形进行建模，并根据实时检测到的悬臂变形信号、新的参数获取与校准方法，从而获取探针所受的实时三维纳米力。将此三力经比例放大后送人力／触觉设备进行感知，操作者就可以实时调节施加在探针上力的大小及探针的运动轨迹，使得操作的效率及灵活性明显提高，且可以避免探针因受力过大而造成损坏。纳米刻画和多壁碳纳米管的操作实验验证了系统的有效性。