原子力显微镜的快速扫描：实现闭环速度控制的增益

07.04.21

文章最初于2021年4月7日发表在 physicsworld.com 网站。

纳米定位专家Queensgate 正为高速、高精度原子力显微镜 (AFM) 系统的应用做技术支持的准备。

英国高精度纳米定位产品制造商Queensgate 与英国国家计量研究所国家物理实验室 (NPL) 的科研团队合作研发所取得的实验成果，有望获得下一代原子力显微镜 (AFM) 和其他扫描探针显微镜 (SPM) 系统制造商的关注。

在今年早些时候完成的一项概念验证研究中，NPL研究人员对Queensgate产品的使能技术进行了测试——包括高速、压电驱动的纳米定位平台和专有的闭环速度控制算法，由此来评估Queensgate产品在高速AFM扫描应用方面的潜在适用性。实验结果引人注目：以0.5 mm/s到4 mm/s的光栅扫描速度，在几分钟内就可以获得大面积、高质量的纳米空间分辨率AFM图像。

尽管NPL和Queensgate之前曾多次合作，但最近的一项工作是通过测量恢复 (M4R) 计划进行的。这项由英国政府资助且由NPL主导的计划，旨在支持工业经济从COVID-19 所造成的影响中复苏。“M4R提供获取高端研发、专业知识和设施的途径，以帮助解决科技和技术无法破解的分析或测量的问题，”NPL尺寸计量研究科学家Edward Heaps，代表Queensgate进行实验工作，他解释道，“最终，M4R的目的是帮助英国提高疫情后工业的生产力和竞争力。”

向传统说“NO”

为了将NPL研究置于上下文中，首先有必要回顾一下AFM的基本原理。SPM模式使用附着在悬臂上的超细微探针（通常是Si或Si3N4）以非常高的分辨率（1-20 nm之间，取决于探针的清晰度）生成样本图像。悬臂梁的挠度——作用于探针针尖和样本之间的原子力——为样本成像和纳米测量提供了基础，因为探针针尖扫可描到样本表面，并靠近样本表面。同样，AFM也能够在纳米尺度上绘制一系列机械表面参数(如刚度、摩擦力和粘附力)以及化学、电学和磁学特性。

获取图片：NPL研究涉及到一系列标准化测试样本的高速AFM扫描。上述示例中的网格设置为恒定的300nm间距。（提供：NPL）

尽管有优势，但是AFM和其他SPM技术也有一些不容忽视的缺点。例如，缓慢的测量速度意味着较低的样本吞吐量和由于较长的扫描时间(在某些情况下，如果要以高分辨率对大面积进行扫描成像，可能需要数小时或数天)而导致温度诱发测量漂移的问题。“传统的高速AFM经验表明，用户需要在扫描速度和范围 [扫描区域] 之间权衡，”Heaps 解释说。“对于研究用户来说，扩大扫描范围和提高扫描速度带来的优势将体现在测量吞吐量上，从而最终提高项目成效及发表更多的研究论文。”同样的方法也适用于工业研发用户，有望将AFM用于半导体IC、量子纳米器件或先进光学元件的质量控制与成像。

对于Queensgate的工程团队来说，与NPL合作也为闭环速度控制技术组合的道路测试提供了机会，他们认为，在传统意义上，这将解决与高速AFM扫描相关的系统级问题。Queensgate的首席软件工程师Graham Bartlett解释道：“我们已经研发了闭环速度控制系统来实现快速、准确的线性斜坡运动控制。”“通过M4R项目，我们评估了AFM扫描应用的能力，其图像质量直接关系到速度控制在以恒定速度保持直线运动时的准确度

进一步来说，在对速度进行精确控制之前，也可以通过观察图像质量来判断AFM平台运行的快慢。“如果每隔几微秒进行一次AFM测量并以恒定速度运行，则可获得恒定间距和清晰图像的测量结果，”Bartlett 补充道。 “如果AFM探头速度不一致，则测量结果将无法均匀分布，最终会导致歪斜或扭曲的图像。

没有控制就没有速度

在实验研究之前，Heaps使用Queensgate 的硬件改造NPL定制的计量高速AFM（由英国布里斯托尔大学共同开发的仪器）。就细节而言，这意味着用由Queensgate NanoScan NPC-D-6330 控制器（提供闭环控制）驱动的Queensgate NPS-XY-100 平台（100×100 μm 范围）替换AFM现有的5×5 μm XY轴的平台来控制位置和速度。随后，研究人员对几个坐标也进行了评估，初步测试表明，在高达4 mm/s的光栅速率下，其速度控制仍然非常精确——尽管光栅轴上分辨率逐渐降低，但扫描速度却从0.5 mm/s逐步增加到4 mm/s。

.

工作效率：扫描更大区域，这张80×80 μm AFM图像是在40秒内以2 mm/s的扫描速度完成的。请注意，该样品显示了早期使用中的可见划痕。(提供：NPL)

与快速AFM扫描相关的问题是光栅线每一端的快速加速和减速激发机械共振的程度。这种现象，通常被称为“振铃”，当扫描速度较快时，该现象则更明显。——这反过来又为图像采集提供了更小的线性区域。 然而，通过闭环控制和陷波滤波等功能，NanoScan控制器可以大大减少开环控制系统的这些影响。该控制器还具有内置波形生成功能，其中包括S曲线加减速曲线，以进一步减少此类共振。

作为NPL项目的一部分，图像采集的细节也需要审查。高速及大面积扫描的结合大大简化了成像过程。原始的5×5 μm压电平台，使用的是NPL高速AFM进行大面积成像，该设备需借助定位器来移动纳米定位平台，以此获取一系列较小的图像“碎片”，随后将其拼接起来——过程缓慢而繁琐，延长图像采集时间。相比之下，NPL的结果表明，单独使用100×100 μm压电平台可获取更多图像，而采用速度控制的高速扫描可大幅度缩短图像采集时间。即使扫描更大区域，定位器的移动也会明显减少——NPS-XY-100平台的又一突破。

继M4R合作之后，Queensgate及其母公司Prior Scientific希望直接与SPM及其他地区的OEM合作伙伴分享实验结果。Bartlett总结道：“我们看到了纳米定位平台、控制电子设备和算法的真正潜力，可显著提高AFM的速度、吞吐量和图像质量。”“还值得注意的是，同样的核心构建块也非常适合其他先进应用，例如使用共聚焦显微镜的3D活细胞成像。”

文章最初于2021年4月7日发表在physicsworld.com网站。