[发明专利]基于SPM探针增强作业的纳米操作系统

说明书

技术领域

本发明涉及纳米科技中纳米尺度物体的操作技术，具体是一种基于SPM探针增强作业的纳米操作系统。

背景技术

纳米科技是21世纪新兴的科研领域。纳米尺度下，物质的物理化学性质都会发生很大的变化。只有对纳米尺度下的物质进行有效地操作，才能研究纳米尺度下物质的各种物理、化学等自然现象，才能研制纳米器件，纳米传感器以及纳米计算机等先进的技术装备。因此，对纳米操作方法的研究是当前国际微纳米科技前沿的一个热点。

由于纳米尺度极其微小，因此实现纳米尺度物质的有效观测与操作是发展和应用纳米科技的关键技术。这样才能研究纳米尺度下物质的各种物理、化学等自然现象，才能研制纳米器件，纳米传感器以及纳米系统等先进技术及装备。因此，有效的纳米操作方法是当前国际微纳米科技前沿的研究热点。

扫描探针显微镜(SPM，Scanning Probe Microscope)是目前开展纳米观测与操作的重要设备之一，其作业方式是通过控制SPM的探针运动和施加力进行纳米观测和操作。

目前基于SPM的纳米操作方法主要是操作者通过操作人机交互设备(如多维操作手柄)，并通过坐标转换模型将手柄运动转换为探针的运动控制而实现纳米操作。由于SPM探针针尖直径只有十几纳米，只能进行点操作，而且很难得到实时操作信息(对象及探针的位置、状态等)反馈，因而这种人机交互式的纳米操作效率很低，且难以实现编程及自动化作业。所以具有可编程的自动化探针操作控制规划和系统实现技术具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术中因探针直径小而对被操作对象只能进行点操作、无法对操作对象的位姿进行有效的控制，以及纳米操作效率很低，且难以实现编程及自动化作业的不足，本发明的目的在于提供一种能有效控制被操作对象位姿的、基于SPM装置的小步距、快速多点定向操作特别是纳米操作效率高，可以实现自动化作业的基于SPM探针增强作业的纳米操作系统。

本发明的技术方案是：操作者通过人机交互界面提出操作需求(如操作起始位置和终止位置)，由规划层求取增强探针初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及起始位置与终止位置的角度差，再将这些差值分解成增强探针的一系列平动和转动基本操作，将分解后基本操作的起始和终止坐标通过以太网发送给操作层；操作层利用起始和终止坐标作为输入数据，采用SPM探针增强作业方法进行增强探针的平动操作规划和转动操作规划，并将规划后的探针位置信息向SPM发送，由SPM装置控制探针进行操作；

所述人机交互界面是向操作者提供被操作对象及其所处环境的信息，接受操作者的操作请求，在操作结束后向操作者提供操作的结果；操作请求是以用户采用取点的方法确定增强探针操作的起始位置和终止位置内容；

所述规划层根据操作者在确定的起始位置和终止位置进行任务的规划，具体如下：

1)求解增强探针的宽度：在SPM探针运动平面xoy内由用户选定的两点连线确定操作的起始位置，两点坐标分别为(xi，，yi)，(xi′，yi′)，则增强探针的宽度为：

L=(xi-xi′)2+(yi-yi′)2---(1)]]>

2)求解增强探针的初始斜率：两点坐标(xi，，yi)，(xi′，yi′)为参数，根据式(2)求斜率ki：