上海交大朱利民教授团队提出基于粘滑纳米定位器的跨尺度高带宽原子力显微镜

近日，上海交大机械与动力工程学院智能制造与信息工程研究所朱利民教授团队提出了一种基于粘滑纳米定位器的跨尺度高带宽原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM），突破了基于直驱纳米定位器的传统AFM在工作空间与控制带宽间的制约。研究成果“Cross-scale high-bandwidth atomic force microscopy with a stick-slip nanopositioner”发表在Nature Communications上。博士后王湘元为论文第一作者，朱利民教授为通讯作者。

AFM是纳米尺度测量与表征的重要仪器，其核心部件—纳米定位器通过精确调控探针与样品间的相对扫描运动，使AFM具有原子级水平的分辨能力。目前，主流AFM均采用直驱纳米定位器生成扫描运动，然而该技术方案存在工作空间和谐振频率之间的矛盾，无法兼顾AFM对成像范围和带宽的需求。发展基于新原理、兼具大工作空间和高带宽的高性能AFM纳米定位技术，是AFM面向跨尺度、高带宽应用亟待突破的难题。

团队提出的粘滑AFM纳米定位器

针对这一问题，研究团队以粘滑纳米定位器为研究对象，利用其步进模式实现宏观尺度的大范围定位，利用扫描模式实现纳米级的精密运动，并发现其在扫描模式下具有与直驱纳米定位器相似的动力学特性。基于此，团队提出一种三阶段控制算法：在具有最优频率和幅值的锯齿波电压信号驱动下实现高速步进；采用环绕状态积分控制器实现步进、扫描两模式间的无缝切换；通过阻尼-跟踪控制器实现扫描模式下的高带宽控制。在该控制算法的加持下，研究提出的粘滑纳米定位器实现了3 mm×3 mm的工作空间、>295 Hz的控制带宽、3.2 nm的重复定位精度以及>23.1 mm/s的步进速度。这些优异特性的结合使得一系列先进的纳米定位任务得以实现，包括高速跨尺度纳米定位与跟踪，以及高带宽AFM扫描等。

跨尺度高带宽AFM抽样成像实验：系统照片、样品、流程及结果

跨尺度高带宽AFM拼接成像实验结果

与现有纳米定位技术和AFM技术的特性对比

研究将所提出的粘滑纳米定位器与AFM测头集成，实现了毫米级空间范围内，对光栅样品和芯片样品的跨尺度高带宽抽样成像和拼接成像。在保证成像质量的前提下，扫描线频率高达40 Hz，相较于传统的具有毫米级工作空间的直驱AFM纳米定位器，提升了1至2个数量级。该研究表明，通过恰当的控制，典型的粘滑纳米定位器亦可满足AFM成像所需的精度与带宽需求。这一成果突破了AFM扫描运动只能由直驱纳米定位器生成、粘滑纳米定位器只能满足静态纳米定位或大范围粗定位的传统认知，并为下一代AFM提供了跨尺度、高带宽、低成本的纳米定位解决方案。

该研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65579-1

作者： 智能制造与信息工程研究所 供稿单位： 机械与动力工程学院