CN101419465B - 一种spm探针增强作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米科技中纳米尺度物体的操作技术，具体公开一种SPM探针增强作业方法。它通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的平动操作规划方法或转动操作规划方法中规定的单步操作距离或旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针操作点数，并实现平动或转动操作。采用本发明能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的不足，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。

Description

一种SPM探针增强作业方法

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SPM探针增强作业方法。

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。

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

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、快速多点定向操作的SPM探针增强作业方法。

本发明的技术方案是：通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的平动操作规划方法或转动操作规划方法中规定的单步操作距离或旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针操作点数，并实现平动或转动操作；

所述探针平动操作规划方法：定义SPM探针运动平面为xoy，起始坐标为(x_is，y_is)，终止坐标为(x_ie，y_ie)，则第i次单步操作的起始和终止的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{is}}=x_{1s}\\ y_{\mathrm{is}}=y_{1s}+(i-1)*(L/n)\\ x_{\mathrm{ie}}=x_{1e}\\ y_{\mathrm{ie}}=y_{1e}+(i-1)*(L/n)\\ (x_{\mathrm{ie}}=x_{\mathrm{is}}+d)\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)$

其中L为探针操作宽度，n为作用于宽度L上的作用点数，d为单步操作距离；

所述转动操作规划方法：设旋转坐标系x′o′y′的中心O′在SPM探针运动平面xoy内，旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy中的坐标为(x₀，y₀)，则旋转坐标系x′o′y′中任意点(x′，y′)的坐标在SPM探针运动平面xoy中的坐标可以表示为：

x＝x′+x₀和y＝y′+y₀

若初始的转角为0°，探针的首次操作的起始坐标可以为(x′_1s，y′_1s)，终止坐标为(x′_1e，y′_1e)，则在探针运动坐标系内，第i步推动操作的起始和终止的坐标可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{1s}=x_{1s}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{is}}=L\frac{i-1}{n}+x_0\\ y_{1s}=y_{1s}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{is}}=y_{1s}^{\′}+y_0\\ x_{1e}=x_{1e}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\cos \mathrm{\θ}+x_0\\ y_{1e}=y_{1e}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\sin \mathrm{\θ}+y_0\end{array}\right.$

其中：n为推动操作次数，

L为增强后探针的宽度，m为操作点间距，θ为旋转角度；

所述探针预编程规划方法：通过平动或转动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m和单步操作距离d或旋转角度θ，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；在已知操作点间距m的情况下，获得总的操作次数n；

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据平动或转动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

本发明由于可编程控制，使基于探针增强技术的纳米操作具有较高效率；可以实现对CNT、DNA等纳米材料平动和转动的高效操作控制策略。具有特点如下：

1.本发明通过预编程规划对基于SPM探针的纳米操作实现小步距(单步操作距离为纳米尺度)、快速多点定向操作(通过预编程规划实现)首次提出探针增强技术概念。

2.高效控制被操作对象位姿。本发明方法通过编程策略，可以在给定初始状态(位置)和终止状态(位置)条件下，控制SPM探针对被操作对象实现等间距各点的快速小步长或小旋转角的平动或转动操作。这样既可以通过预设步距和运动速度实现纳米材料推动作业的编程操作，提高操作效率；也可以使操作对象的各点移动均匀，提高了操作的可靠性，且大大提高纳米操作效率。由于避免了人机交互操作过程，采用预编程控制，探针运动速度可以达到数百微米/秒，与传统方法相比可以提高操作效率几倍到十几倍。

3.可以大大减轻操作者的劳动强度。传统的人机交互式纳米操作方法要求操作者通过交互界面实时/在线输入探针的控制信息，并不断通过扫描成像来确定操作对象的位姿来规划下一步的操作，因此劳动强度很大。本方法只需设定探针操作的起始位置和终止位置，就可以由程序控制探针自动完成操作任务。

附图说明

图1为本发明平动操作原理示意图。

图2为本发明转动操作原理示意图。

图3为本发明增强探针对被操作对象实现一步平动推动操作的方法，即程序流程图。

图4为本发明增强探针对被操作对象实现一步旋转推动操作的方法，即程序流程图。

具体实施方式

本发明SPM探针增强作业方法：通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的操作规划方法中规定的单步操作距离或旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针操作的操作点数，并实现操作；其中：

实施例1

所述探针平动操作规划方法：定义SPM探针运动平面为xoy，起始坐标为(x_is，y_is)，终止坐标为(x_ie，y_ie)，则第i次单步操作的起始和终止的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{is}}=x_{1s}\\ y_{\mathrm{is}}=y_{1s}+(i-1)*(L/n)\\ x_{\mathrm{ie}}=x_{\mathrm{le}}\\ y_{\mathrm{ie}}=y_{1e}+(i-1)*(L/n)\end{array}\right.$

其中L为探针操作宽度，n为作用于宽度L上的作用点数，d为单步操作距离；

图1给出了单步操作示意。图中虚线表示探针返回下一次操作起点时的轨迹对被操作对象没有影响。这样的探针编程操作可以在局部增加探针操作的次数与频率，从而实现了在探针操作宽度为L，作用点数为n的单步操作距离为d的探针推动作业，同时保证了纳米物体(尤其是线状)的整体平移。

探针平动操作规划，当采用探针增强技术实施操作时，由于探针在小尺度上(50-100纳米)快速(秒级)多点(纳米级)作用于被操作对象，相当于探针操作宽度L的操作力同时施加于被操作对象。这样的操作策略可以使任意形状的纳米物体按预定方向和位移量可靠移动。

如果需要推动的作业距离大于d，则可以设定多次这样单步操作，直至达到预定位置。

如图3所示，所述探针预编程规划方法：通过平动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m(本实施例为50-100nm)和单步操作距离d(本实施例为50-100nm)，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；由于操作点间距m已知，总的操作次数n可得：

$n=\frac{L}{m}$

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据平动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

采用本发明，由于操作过程执行速度很快，操作步长(即：单步操作距离d)和操作点间距m都可以设定在很小的尺度(纳米尺度)，因而在基于SPM探针的纳米推动操作上具有很高的作业效率。由于避免了人机交互操作过程，采用预编程控制，探针运动速度可以达到数百微米/秒，与传统方法相比可以提高操作效率几倍到十几倍。

实施例2

与实施例1不同之处在于：通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，通过基于探针预编程的转动操作规划方法中规定的旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针操作的操作点数，并实现转动操作；其中转动操作规划具体如下：

由于探针无法实现真正的曲线运动，所以在探针增强技术中采用短距离的直线运动代替曲线运动。理论分析表明当转角5°时，弧长和弦长可认为相等，如图2所示。

设旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy内，确定的SPM探针运动平面中的坐标为(x₀，y₀)，则旋转坐标系x′o′y′中任意点(x′，y′)在SPM探针运动平面xoy中的坐标可以表示为：

x＝x′+x₀和y＝y′+y₀

若初始的转角为0°，探针的首次操作的起始坐标可以为(x′_1s，y′_1s)，终止坐标为(x′_1e，y′_1e)，则在探针运动坐标系内，第i步推动操作的起始和终止的坐标可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{1s}=x_{1s}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{is}}=L\frac{i-1}{n}+x_0\\ y_{1s}=y_{1s}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{is}}=y_{1s}^{\′}+y_0\\ x_{1e}=x_{1e}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\cos \mathrm{\θ}+x_0\\ y_{1e}=y_{1e}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\sin \mathrm{\θ}+y_0\end{array}\right.$

其中：n为推动操作次数，

增强后探针的宽度为L，m为操作点间距，θ为旋转角度；

由第i步推动操作的起始和终止的坐标式可以看出，在每次推动操作中，旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy内的位置不变。但随着推动操作步数i的增加，探针在远离旋转中心O′的同时推动的距离也逐渐增加，但总保持固定的角度关系如下：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{y_{\mathrm{ie}}-y_0}{x_{\mathrm{ie}}-x_0}$

则经过n次推动操作后，增强探针将使被操作对象实现角度为θ旋转。如此，只要不断的执行上述操作增强探针可实现任意角度的旋转操作。

如图4所示，所述探针预编程规划方法：通过转动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m(本实施例为50-100nm)和旋转角度(本实施例为50)，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；由于操作点间距m已知，总的操作次数n可得：

$n=\frac{L}{m}$

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据转动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

探针增强技术，作为底层的探针操作规划方法向用户透明。用户不需要知道探针增强技术的原理，只需要输入增强探针的宽度和操作的起点和终点就可以完成操作。

通常基于SPM探针的操作只是交互式点操作模式，不能编程控制。

本发明探针增强作业是指通过预编程规划方法使SPM探针采用小步距、快速多点定向运动模式，由预编程规划程序控制自动改变操作的方向和位置，从而实现对纳米目标对象的操作控制。由于采用预编程规划程序控制，使探针操作可以在极短时间内实现小步距、多操作点推动作业，通过重复这样的操作步骤，完成目标物体从初始位置到终止位置的操作。这种作业模式可以理解为探针在同一时刻对物体实现了线操作。因而相对点操作而言，这种作业模式起到了探针增强的效果。

Claims (4)

1.一种SPM探针增强作业方法，其特征在于：通过控制参数设定操作的起始位置和终止位置，结合基于探针预编程规划方法中的平动操作规划方法或转动操作规划方法中规定的单步操作距离或旋转角度、操作点间距和方向，计算出探针的操作点数，实现平动或转动操作；

所述探针平动操作规划方法：定义SPM探针运动平面为xoy，起始坐标为(x_is，y_is)，终止坐标为(x_ie，y_ie)，则第i次单步操作的起始和终止的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{is}}=x_{1s}\\ y_{\mathrm{is}}=y_{1s}+(i-1)*(L/n)\\ x_{\mathrm{ie}}=x_{1e}\\ y_{\mathrm{ie}}=y_{1e}+(i-1)*(L/n)\\ x_{\mathrm{ie}}=x_{\mathrm{is}}+d\end{array}\right.(i=\mathrm{1,2},...,n)$

其中L为探针操作宽度，n为作用于宽度L上的作用点数，d为单步操作距离；

所述转动操作规划方法：设旋转坐标系x′o′y′的中心O′在SPM探针运动平面xoy内，旋转坐标系的中心O′在SPM探针运动平面xoy中的坐标为(x₀，y₀)，则旋转坐标系x′o′y′中任意点(x′，y′)的坐标在SPM探针运动平面xoy中的坐标表示为：

x＝x′+x₀和y＝y′+y₀

若初始的角度为0°，探针的首次操作的起始坐标为(x′_1s，y′_1s)，终止坐标为(x′_1e，y′_1e)，则在SPM探针运动平面xoy内，第i步推动操作的起始和终止的坐标表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{1s}=x_{1s}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{is}}=L\frac{i-1}{n}+x_0\\ y_{1s}=y_{1s}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{is}}=y_{1s}^{\′}+y_0\\ x_{1e}=x_{1e}^{\′}+x_0,x_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\cos \mathrm{\θ}+x_0\\ y_{1e}=y_{1e}^{\′}+y_0,y_{\mathrm{ie}}=L\frac{i-1}{n}\sin \mathrm{\θ}+y_0\end{array}\right.$

其中：n为推动操作次数，

增强后探针的宽度为L，m为操作点间距，θ为旋转角度；

所述探针预编程规划方法：通过平动或转动操作规划方法对被操作对象上等间距点进行n次推动操作，使其操作结果体现出一致性，获得增强后探针；按如下步骤进行SPM探针增强作业：预设操作点间距m和单步操作距离d或旋转角度θ，在操作者确定操作范围后，确定首次操作的起始坐标和增强后探针的宽度L；在已知操作点间距m的情况下，获得总的操作次数n；

操作的步数由变量i控制，i的初始值为1；每次执行操作之前i都要与n比较，操作在当i的值不大于n时进行；每次操作之后对变量i值加1，再根据平动或转动操作规划确定下次操作的起始和终止坐标。

2.按权利要求1所述SPM探针增强作业方法，其特征在于：所述转动操作规划方法中，当旋转角度小于等于10°时，弧长与弦长相等，则用平动代替转动。

3.按权利要求1所述SPM探针增强作业方法，其特征在于：所述平动操作规划方法中如果需要推动的作业距离大于单步操作距离d，则设定多次单步操作，直至达到预定位置。

4.按权利要求3所述SPM探针增强作业方法，其特征在于：所述单步操作距离d为50-100nm。

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