操作原子力显微镜，一个具有挑战性的方面是找到最佳反馈参数显微镜

【操作原子力显微镜，一个具有挑战性的方面是找到最佳反馈参数】

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操作原子力显微镜(AFM)最具挑战性的方面之一是找到最佳反馈参数。该声明特别适用于调频原子力显微镜，它利用三个反馈回路来控制悬臂激励幅度、悬臂激励频率和z压电扩展。这些回路由一组反馈参数调节，由用户调整以优化成像过程中的稳定性、灵敏度和噪声。由于非线性尖端-样品相互作用导致频率和z压电反馈回路之间的耦合，这些参数的优化是困难的。

四个比例积分参数和两个调节这些回路的锁定参数需要在存在变化的未知尖端-样品耦合的情况下同时进行优化。目前，这种优化是在繁琐的试错过程中手动完成的。在这里，科学家报告了一种自动计算控制参数的算法的开发和实现。该算法读取未受干扰的悬臂共振频率、其品质因数和z压电驱动信号功率谱密度。它分析总闭环传递函数的极点和零点，提取未知的尖端-样本传递函数，并为频率和z压电控制回路找到四个比例积分参数和两个锁定参数，以优化带宽和阶跃响应的整个系统。

该算法在自制原子力显微镜中的实施表明，计算出的参数始终非常出色，并且很少需要用户进一步调整。新算法节省了有经验的用户的宝贵时间，方便了普通用户使用原子力显微镜，并消除了实现全自动原子力显微镜的主要障碍。调频原子力显微镜正在成为真空、空气和液体中高分辨率成像的首选模式。为实现这一目标，它利用三个反馈回路来控制悬臂激励幅度、悬臂驱动频率和z压电扩展。

第一个回路保持悬臂的设定点振荡幅度。第二个回路改变激励频率以保持悬臂激励力与其振荡之间的π/2相移。这种相移保证了悬臂梁在其共振频率上的振荡，共振频率随尖端-样品的相互作用而变化。第三个， z压电环，通过尖端采样相互作用耦合到频率环。频率环中对驱动频率的校正与设定点频移进行比较， z-压电环修改尖端和样品之间的距离以满足设定点频移。

因此，悬臂在扫描样品表面时跟踪具有相等频移的平面，并且通过记录z压电扩展信号作为x-y平面中位置的函数来获得表面形貌。反馈回路通常使用每个回路一个比例积分控制器来实现，每个控制器由两个参数调节，一个比例增益和一个时间常数。此外，锁定放大器配备了可选择阶数和截止频率的低通滤波器(LPF) 。需要对这些参数进行调整，以获得成像过程中的稳定性、高灵敏度和低噪声。

幅度环路与其他环路弱耦合，可以通过直接优化其两个比例积分参数来独立于它们进行调整。然而，由于它们的非线性耦合，其余两个反馈回路的调谐通常很困难。它需要同时优化两个低通滤波器参数和四个比例积分参数，同时考虑到未知的尖端-样品相互作用。已经设计了一些方法来获得频率和压电环路参数。虽然这些方法确实提供了初步的工作参数，但它们似乎不足以用于高性能应用，例如液体中的原子分辨率成像。因此，调频原子力显微镜参数的优化仍然是通过繁琐耗时的试错过程以及依靠专家用户的经验手动完成的。

在这里，科学家通过提供一种算法来自动优化两个耦合反馈回路参数并同时确定未知的尖端样本传递函数，从而克服了这一困难。虽然手动优化反馈参数可能需要一个小时或更长时间，但该算法在一分钟内实现了潜在的优越结果。因此，它通过完全自动生成反馈参数并消除手动优化的需要，消除了原子分辨率调频原子力显微镜操作的主要障碍。

操作原子力显微镜，一个具有挑战性的方面是找到最佳反馈参数

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