高速原子力顯微鏡的成像方法研究.pdf

1、納米科技已經(jīng)成為二十一世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，而納米科技的發(fā)展，很大程度上依賴于納米觀測和納米操作的工具與手段--掃描探針顯微鏡(SPM，Scanning Probe Microscope)。而其中的原子力顯微鏡(AFM，Atomic ForceMicroscope)，由于1)AFM不受樣品導(dǎo)電性限制；2)可同時支持在大氣與液相環(huán)境中觀測樣品，從而使其廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料、物理、生物等納米相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域。因此，原子力顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，也極大

2、的促進(jìn)了納米領(lǐng)域研究成果的發(fā)展。然而，隨著納米相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，科研工作者對AFM的納米測量與納米操作性能提出了更高的要求，而現(xiàn)有的AFM由于自身固有的缺陷，各方面性能還未達(dá)到這些要求。主要表現(xiàn)為：1)掃描速度較慢，成像效率較低，對于一些實時性要求較高的活性樣品，無法滿足成像要求；2)高速掃描時，原子力顯微鏡系統(tǒng)復(fù)雜的非線性會導(dǎo)致樣品形貌的成像誤差大。3)掃描模式多，操作難度較大，對于掃描參數(shù)的調(diào)節(jié)需要較長時間的培訓(xùn)與操作經(jīng)驗。這些限

3、制嚴(yán)重地阻礙了納米技術(shù)領(lǐng)域的深入研究。
　　 本論文針對上述問題，通過對AFM的成像方法展開深入研究，來進(jìn)一步改善AFM在高速掃描時的成像性能。具體而言，本文主要工作包括以下四個方面：
　　 第一，針對成像系統(tǒng)中的控制信號，提出了兩種分別基于壓電掃描器特性與樣品特性的成像信號預(yù)處理技術(shù)。首先，為了減小壓電掃描器動態(tài)特性對于掃描精度的影響，本論文通過模型辨識的方法獲得壓電掃描器的動態(tài)模型，將成像系統(tǒng)中的控制信號轉(zhuǎn)化為壓電掃

4、描器的真實伸縮量，從而減小了高速AFM掃描時的成像誤差。同時，由于樣品在放置到載物臺時很難保證樣品完全水平放置，這會導(dǎo)致控制信號產(chǎn)生一個掃描斜面，為了方便后續(xù)章節(jié)的進(jìn)一步處理，在此提出了一種方便、快捷地在線實時去除斜面的預(yù)處理方法。仿真與實驗結(jié)果表明本文所設(shè)計的預(yù)處理方法對壓電掃描器動態(tài)特性引起的成像誤差有著明顯的抑制作用，同時消除了由于樣品放置不當(dāng)而產(chǎn)生的形貌傾斜問題。
　　 第二，設(shè)計了一種基于臨近點集數(shù)據(jù)融合的改進(jìn)動態(tài)成像

5、方法。具體而言，在高速掃描時，為了抑制樣品-探針之間強(qiáng)非線性特性對成像質(zhì)量的影響，本文巧妙地利用掃描點鄰域形貌相近似的先驗知識，設(shè)計了一種基于臨近點集數(shù)據(jù)融合的高速AFM成像方法。該成像方法結(jié)合AFM成像系統(tǒng)的非線性和先驗統(tǒng)計信息，構(gòu)造了一個濾波系數(shù)隨控制誤差而實時變化的非線性濾波器，來抑制因探針-樣品間的非線性特性而帶來成像誤差。仿真與實驗結(jié)果表明，該成像算法能明顯提高AFM高速掃描時的成像精度。
　　 第三，為了改善輕敲掃描

6、模式下AFM系統(tǒng)的成像精度，提出了一種適用于輕敲AFM的基于參數(shù)自適應(yīng)UKF的形貌高度估計方法。首先，分析了輕敲式AFM的成像系統(tǒng)模型，并對該模型進(jìn)行了簡化和離散化。在此基礎(chǔ)上，將樣品形貌信息作為過程噪聲引入成像濾波系統(tǒng)。同時利用輕敲掃描模式中大量的中間動態(tài)數(shù)據(jù)，對該非線性成像系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)變化的無味卡爾曼濾波。本文用協(xié)方差隨時間變化的統(tǒng)計量，來估計當(dāng)前過程的實際噪聲水平，進(jìn)而實現(xiàn)了過程噪聲協(xié)方差參數(shù)的自適應(yīng)環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果表明，本文算法能

7、夠較大地提供AFM系統(tǒng)的成像精度。
　　 第四，從AFM易用性的角度出發(fā)，設(shè)計提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的AFM參數(shù)自整定控制與成像方法。由于更換樣品、掃描器、探針或掃描參數(shù)時，均會改變AFM成像系統(tǒng)的模型參數(shù)，因而需要重新調(diào)節(jié)控制器增益。為了增加系統(tǒng)的易用性，本文基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，提出了一種能夠自動調(diào)整參數(shù)的AFM控制與成像方法，從而降低了AFM的使用門檻。具體而言，首先引入CARIMA(Controlled Auto-Regress