Collaborative Research: High-Speed AFM through Compressed Sensing

合作研究:通过压缩感知实现高速 AFM

基本信息

  • 批准号:
    1234845
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 23.94万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2012
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2012-09-01 至 2017-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The primary research objective of this proposal is to improve the temporal resolution of atomic force microscopy (AFM) through non-raster sampling schemes based on compressed sensing (CS). While AFM continues to be used heavily for the study of systems with nanometer-scale features, its temporal resolution limits its applicability to the study of dynamics. The research approach progresses from non-raster sampling of a single image, including robust time-optimal control techniques to move the tip of the microscope as rapidly as possible between measurement locations, to CS driven schemes for acquisition of image sequences. The methods developed will be implemented and tested on AFMs to demonstrate their capabilities. If successful, the results of this research will extend the utility of AFMs by increasing the imaging rate while also decreasing the interaction with the sample, limiting any damage caused by the imaging process. While focused on AFMs, the techniques to be developed will be directly applicable to other scanning probe methodologies, such as scanning tunneling microscopy and near-field scanning optical microscopy, as well as more broadly to scenarios in which a short-range sensor is acquiring information in a large area. Examples of such scenarios include environmental monitoring by autonomous robots, large-scale data collection in ocean environments, and weather sampling. Further, the robust time-optimal control results will be broadly applicable in industries that include disk drives, tape drives, wafer scanning systems, electronic manufacturing, and more. Graduate and undergraduate students will benefit through participation in the research while outreach activities will engage middle and high school students in the Boston metro area, with a focus on students from low-income families, and in the Boulder metro area, with a focus on female students.
该提案的主要研究目标是通过基于压缩感应(CS)的非主机采样方案来改善原子力显微镜(AFM)的时间分辨率。尽管AFM继续大量用于研究具有纳米尺度特征的系统,但其时间分辨率限制了其适用于动力学研究。研究方法从单个图像的非命令采样(包括强大的时间优化控制技术)发展,以在测量位置之间尽快移动显微镜的尖端,再到CS驱动方案以获取图像序列。开发的方法将在AFMS上实施和测试以证明其功能。如果成功,这项研究的结果将通过提高成像速率,同时降低与样品的相互作用,从而限制成像过程造成的任何损害,从而扩展AFMS的实用性。虽然专注于AFMS,但要开发的技术将直接适用于其他扫描探针方法,例如扫描隧道显微镜和近场扫描光学显微镜,以及更广泛的场景,其中短距离传感器正在大面积中获取信息。这种情况的示例包括自动机器人的环境监测,海洋环境中的大规模数据收集以及天气抽样。此外,强大的时间最佳控制结果将广泛适用于包括磁盘驱动器,磁带驱动器,晶圆扫描系统,电子制造等的行业。研究生和本科生将通过参与研究而受益,而外展活动将吸引波士顿都会区的中学和高中生,重点关注来自低收入家庭的学生以及在博尔德都会区,重点是女学生。

项目成果

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