● 摘要
以原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）和扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）为代表的扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是纳米技术发展的重要基础。尤其是AFM，由于其应用不受样品导电性的限制，在许多与纳米技术相关的新兴的研究领域，如纳米物理学、纳米生物学等，得到了广泛应用。本文在对原子力显微术和AFM发展状况进行分析和综述的基础上，简要分析了原子力的作用机理，介绍了AFM的诞生历史，工作原理、成像模式及其优缺点。阐述了传统原子力显微镜存在的问题，分析了AFM发展的新趋势以及国内外研究的新进展。本文的主要工作是构建了一套AFM快速扫描的控制系统。摒弃了传统的模拟控制系统，分析和实现了数字控制系统在AFM系统上的应用。采用数字控制系统实现步进电机对扫描平台自动近给的粗调和扫描器的细调。结合AFM系统本身的特点，本文提出了一种PI参数自适应算法——扫描式参数优化(Scanning Parameter Optimization, SPO)方法，该方法无须人工干预，可自动获得最优PI参数，解决了AFM参数自适应困难的问题。试验证明，该控制系统在6Hz的扫描速度下，仍可使AFM进行较高质量的成像。本文还对AFM整体系统进行了分析，并对控制性能的优化进行了研究。分析了影响AFM系统扫描性能的主要影响因素，如压电陶瓷的非线性与迟滞效应，扫描反馈电路的精度影响，试验环境对试验结果的影响，激光器及PSD性能对系统的影响，系统噪声干扰分析。并对这些影响因素提出了针对性的措施，试验结果表明这些措施取得了良好的效果。