[发明专利]原子力显微镜探针扩展作业方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米领域，具体地说一种是原子力显微镜探针扩展作业方法。

背景技术

纳米科技是21世纪新兴的科研领域。纳米尺度的物质具有与宏观尺度不同的物理、化学等特性，因而发现和利用这些新的特性并构建新的结构、器件与系统，对促进科学技术的发展具有重要意义。

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。

原子力显微镜(Atomic force microscopy)是目前开展纳米观测与操作的重要设备之一，其作业方式是控制原子力显微镜的探针运动，施加力进行纳米观测和操作。目前基于原子力显微镜的纳米操作方法主要是操作者利用人机交互设备，以主从作业方式完成(如多维操作手柄)。由于原子力显微镜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。所以可编程控制的高效探针运动控制方法对纳米操作具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种基于任务导向的原子力显微镜探针扩展作业方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种原子力显微镜探针扩展作业方法，包括以下步骤：

依靠原子力显微镜获取被操作对象、操作环境和操作目标信息，将对被操作对象的操作划分为主从操作模式和扫描操作模式；

所述主从操作模式的操作过程为：

通过取点的方法，确定被操作对象中心点的位置与操作目标点的位置；

将控制命令通过输入设备下达到主控计算机；

主控计算机将宏观尺度位置坐标转化为纳观尺度位置坐标，通过以太网传递给原子力显微镜控制器。

由原子力显微镜控制器将探针的位置信息发送给原子力显微镜；

将探针在操作过程中所受的力信号反馈给控制器；

所述扫描操作模式的操作过程为：

主控计算机中设置规划层，原子力显微镜控制器中设置执行层；

操作者通过人机交互界面提供操作需求，由规划层求取被操作对象的初始位置与终止位置的水平坐标差和垂直坐标差及初始位置与终止位置的角度差；

将这些差值分解成探针的一系列平动和转动操作，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；

执行层利用起始和终止坐标作为输入数据，进行探针的平动操作规划和转动操作规划；

将规划后的探针位置信息向原子力显微镜发送，由原子力显微镜控制探针进行操作。

所述依靠原子力显微镜获取的被操作对象信息包括操作对象的拓扑结构、力学属性。

所述依靠原子力显微镜获取的操作环境信息为操作环境的复杂程度。

所述依靠原子力显微镜获取的操作目标信息根据位姿精度要求与被操作对象最终构形要求分为简单目标与复杂目标。

本发明具有以下优点：

1.本申请首次提出了任务导向的概念。以操作对象拓扑结构、操作的起始点为依据，判别任务的明确程度，并根据明确程度决策采用何种操作模式；

2.在同一纳米操作系统的硬件构架下，通过修改软件算法，在主控计算机中引入规划层，在原子力显微镜控制器中引入执行层，并利用预编程的探针运动规划方法，实现探针的扩展作业。该扫描操作模式具有小步距、快速多点定向，操作高效，控制被操作对象位姿的特点。

3.在主从操作模式下，原子力显微镜控制器依据探针作用力反馈和局部扫描图像判断操作状态，操作者可以根据科研与加工作业需要进行人机交互式纳米操作，从而可以实现具有传感器信息反馈与可视化图形辅助的纳米作业。

4.该方法采用多模式工作方式，充分利用了系统的软硬件资源。丰富了纳米操作系统的功能，提高了纳米作业的效率。实现方法简单，具有很强的通用性，其设计思想可以被移植到其它纳米操作系统中。

附图说明

图1为主从操作模式系统结构图；

图2为扫描操作模式系统结构图；

图3为扫描操作模式基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。