用于高精度高速原子力显微镜的压电非线性前馈补偿技术

《Scientific Reports》：Feedforward compensation of piezo nonlinearity for high-precision high-speed atomic force microscopy

　　

摘要

原子力显微镜（AFM）能够实现纳米级的结构表征，并已广泛应用于各种系统中。在过去的二十年里，高速AFM技术的进步不仅使得静态结构的成像成为可能，还实现了对纳米级动态过程的实时观察。然而，由于探针或样品通常是通过压电执行器进行扫描的，这些执行器对输入信号的响应存在非线性，这可能导致图像缩放误差达到20–30%。因此，迫切需要一种能够校正压电非线性的方法，以可靠地支持定量动态结构测量。在这里，我们提出了一种基于软件的前馈方法来生成扫描波形，该方法易于实现。我们确定了压电扫描仪中四种不同的定位误差来源，并证明这些误差是可以补偿的，从而将定位精度提高了一个数量级。由于该方法基于软件且不需要额外的硬件，因此不会影响成像速度，非常适合高速AFM应用。此外，该方法还兼容多种AFM和其他扫描探针系统。