纳米尺度测量综合模型和三维功能标样的数字化加工标定

纳米尺度计量学是纳米制造领域重要研究方向之一。本申请针对当前国内外纳米尺度三维测量中存在的综合耦合理论研究不足、定值方法不统一和标定方法不规范以及纳米尺度标准样块通常为周期性或单一参数的结构,功能较为局限等科学技术问题提出开展纳米尺度三维功能标样的数字化设计、加工和定值方法研究，旨在建立纳米尺度测量系统的多场、多尺度综合数理模型；发展若干纳米尺度三维功能标样和相应的定值方法。本项目在纳米尺度测量系统综合误差分析评价、纳米功能表面的计算机辅助设计、加工和三维纳米表面结构参数的表征方面有原创思想。以上研究将为我国纳米尺度测量系统多参数的耦合提供新理论，为三维功能标样的设计制造提供精确稳健的新方法，为目前纳米测量单一参数标样增添新成员，并为评价纳米功能表面测量方法和步骤的标准化打下良好的基础，其研究成果力争在国际上有一席之地。

在国家自然科学基金的资助下，本项目围绕新型微纳尺度可控表面统计参数三维粗糙样块的设计、加工、表征和应用，纳米测量系统时间稳定性表征方法和原子力显微镜纳米测量影响因素的全系统建模分析开展研究。已完成的主要研究工作包括：1）提出结合数字滤波及遗传算法的可控统计参数粗糙表面的优化设计方法，较好地解决了传统设计方法所存在的各表面参数与其期望值相比偏差较大、分散明显等问题，有效地提高了设计效率和精度。2）应用飞秒激光双光子直写、电子束刻蚀和聚焦离子束三种加工技术加工出多系列不同表面参数三维粗糙度样块，加工精度分别近似为195.3 nm、43.5 nm和4.8 nm。3）基于NURBS样条拟合及Levenberg-Maquardt算法实现设计表面和实测数据的三维空间自动匹配。结果证实该算法在三维复杂结构的空间配准上优于传统的迭代最近点算法，能有效提高配准效率和精度，为后续加工工艺的优化以及样块的实际应用提供指导。4）利用原子力显微镜和激光扫描共焦显微镜对所加工的三维粗糙度样块进行了测试表征，证实三种微纳加工方法制作的样块均具有较好的参数可控性。基于14种表面参数的定量评价表明实测表面参数与相应设计值吻合良好。同时，应用功率谱密度分析考察了原子力显微镜和激光扫描共焦显微镜测量的频率响应特性，并进行两种测量技术的对比研究。分析显示当样品表面自相关长度较大时，两种仪器测量数据与设计表面的频谱特性吻合度更高，同时原子力显微镜测量的截止频率高于激光扫描共焦显微镜。5）探索了统计参数可控的微纳尺度三维粗糙度样块用于原子力显微镜探针尺寸表征的可行性。结果显示在小自相关长度样品的扫描图像上进行盲估计的探针形貌尺寸和扫描电子显微镜成像测量一致。通过合理设计表面参数，所制备的样块可用于估计针尖形貌尺寸。6）建立了大气环境、振动模式原子力显微镜全系统分析模型。该系统模型包括样品形貌模拟、探针振动激励、探针动力学行为、针尖/样品的相互作用、PID反馈控制、驱动器响应等关键模块。利用该系统模型已能实现探针逼近/远离样品过程中的动力学行为、扫描成像过程、针尖效应、漂移影响及矫正等的仿真模拟。本项目研究工作进展顺利，已在国际专业学术期刊上发表论文6余篇，国际会议报告4次，完成了各项既定目标。