原子力顯微術(shù)及其圖像增強(qiáng)研究.pdf

1、隨著掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等高分辨率表面觀察和分析儀器的出現(xiàn)，納米科技在近20年得到了迅速的發(fā)展，世界各主要國家都對納米科技基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究投入了大量財(cái)力、物力和人力。而隨著納米科技研究的深入，作為納米檢測和納米加工的重要工具，原子力顯微鏡在納米科技研究中的應(yīng)用也越來越廣泛，以它為基礎(chǔ)形成的掃描探針顯微鏡在納米尺度觀察和表征以及納米加工領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用，被形象地譽(yù)為納米科技的“眼”和“手”。 目前商用的AFM

2、橫向分辨率一般為0.2nm，縱向分辨率一般為0.05nm。近幾年，人們對隨著生物技術(shù)的研究逐漸向小分子結(jié)構(gòu)研究深入，而小分子的結(jié)構(gòu)尺度一般在0.5nm左右，因此目前商用AFM表征小分子結(jié)構(gòu)的難度很大。為此，具有同STM同樣高分辨率的新型高精度AFM的研究成為當(dāng)務(wù)之急。 本論文在以前成功研制STM的基礎(chǔ)上，研制了能夠集STM與AFM于一體的、具有原子量級分辨率的高精度原子力顯微鏡系統(tǒng)。論文介紹了同AFM相關(guān)的基礎(chǔ)理論，主要包括掃描

3、探針與樣品間原子力作用機(jī)理、微懸臂在原子力作用下的形變位移及其檢測等；通過原子力顯微鏡AFM.IPC-208B型機(jī)系統(tǒng)，分析了AFM.IPC-208B型機(jī)的工作理論基礎(chǔ)，給出了其系統(tǒng)組成，其中主要介紹了鏡體和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；研究了小波變換在AFM圖像增強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用，在分析影響AFM.IPC-208B型機(jī)圖像噪聲性質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的基于空域相關(guān)的小波圖像去噪算法，仿真對比實(shí)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)圖象測試結(jié)果表明，該算法在成功去噪的同時(shí)能夠

4、有效保持圖像的細(xì)節(jié)信息，且運(yùn)算速度快；最后給出了AFM.IPC-208B型機(jī)的部分應(yīng)用研究成果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)有良好的重復(fù)性和成像質(zhì)量，其實(shí)測精度：橫向分辨率為0.1nm，縱向分辨率為0.01nm。 本文的創(chuàng)新之處體現(xiàn)在： 1)給出了集STM與AFM與一體的、能夠達(dá)到原子量級分辨率的原子力顯微鏡系統(tǒng)中關(guān)鍵組件組件的設(shè)計(jì)理論及實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用可拆卸微懸臂裝置感知探針和樣品原子間作用力，用STM法檢測微懸臂的形變，

5、這種方案使該系統(tǒng)既可作為AFM使用，也可以作為STM使用，有效擴(kuò)大了儀器的應(yīng)用范圍，并且AFM和STM有同樣的高分辨率；采用三級線性放大器作為前置放大器取代傳統(tǒng)的單級放大器，同時(shí)采用對數(shù)放大器取代傳統(tǒng)的折線放大器，保證了在大掃描范圍條件下系統(tǒng)反饋控制的線性度。 2)給出了滿足整體性能要求的AFM鏡體設(shè)計(jì)方案。該方案采用機(jī)械傳動(dòng)和壓電陶瓷組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大范圍納米級定位和掃描，共提供了三種掃描方式：上掃描(掃描范圍≤1μm，用于高精度

6、掃描)；下掃描(≤10μm，用于微米級掃描)；機(jī)械掃描與加工(≤25mm×25mm)。同時(shí)，為了使系統(tǒng)調(diào)整更加靈活，該鏡體設(shè)計(jì)方案提供了總共13個(gè)自由度，而目前國內(nèi)外商用的AFM的鏡體一般只有四個(gè)自由度。該整體鏡體設(shè)計(jì)方案使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對樣品進(jìn)行大范圍掃描與加工時(shí)的高精度，可使系統(tǒng)成為一個(gè)微米納米加工中心。另外，為了實(shí)現(xiàn)微懸臂和探針的準(zhǔn)確定位，首次在AFM中采用了三坐標(biāo)微懸臂驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用水平方向絲桿副調(diào)節(jié)微懸臂的徑向坐標(biāo)r，垂

7、直方向絲桿副粗調(diào)及細(xì)調(diào)微懸臂的z坐標(biāo)，蝸輪副調(diào)整微懸臂的角坐標(biāo)θ，其中r，z的精度為0.05mm，θ的調(diào)整精度為0.05°。該鏡體專利號：ZL200420060440.8。 3)結(jié)合本AFM的成像特點(diǎn)以及小波變換的時(shí)頻局域性特點(diǎn)，提出了滿足AFM實(shí)時(shí)成像要求的、小波圖像去噪算法。目前絕大部分商用AFM的圖像增強(qiáng)工作都是采用手工操作離線處理模式，其方法主要是采用專用圖像處理軟件系統(tǒng)綜合應(yīng)用各種空域和頻域?yàn)V波技術(shù)，最后結(jié)合Photo