原子力显微术及其图像增强研究

论文摘要

随着扫描隧道显微镜和原子力显微镜等高分辨率表面观察和分析仪器的出现,纳米科技在近20年得到了迅速的发展,世界各主要国家都对纳米科技基础理论和应用研究投入了大量财力、物力和人力。而随着纳米科技研究的深入,作为纳米检测和纳米加工的重要工具,原子力显微镜在纳米科技研究中的应用也越来越广泛,以它为基础形成的扫描探针显微镜在纳米尺度观察和表征以及纳米加工领域正发挥着越来越重要的作用,被形象地誉为纳米科技的“眼”和“手”。目前商用的AFM横向分辨率一般为0.2nm,纵向分辨率一般为0.05nm。近几年,人们对随着生物技术的研究逐渐向小分子结构研究深入,而小分子的结构尺度一般在0.5nm左右,因此目前商用AFM表征小分子结构的难度很大。为此,具有同STM同样高分辨率的新型高精度AFM的研究成为当务之急。本论文在以前成功研制STM的基础上,研制了能够集STM与AFM于一体的、具有原子量级分辨率的高精度原子力显微镜系统。论文介绍了同AFM相关的基础理论,主要包括扫描探针与样品间原子力作用机理、微悬臂在原子力作用下的形变位移及其检测等;通过原子力显微镜AFM.IPC-208B型机系统,分析了AFM.IPC-208B型机的工作理论基础,给出了其系统组成,其中主要介绍了镜体和数据采集与控制系统;研究了小波变换在AFM图像增强领域的应用,在分析影响AFM.IPC-208B型机图像噪声性质的基础上,提出了一种改进的基于空域相关的小波图像去噪算法,仿真对比实验和标准图象测试结果表明,该算法在成功去噪的同时能够有效保持图像的细节信息,且运算速度快;最后给出了AFM.IPC-208B型机的部分应用研究成果。实验结果表明,本系统有良好的重复性和成像质量,其实测精度:横向分辨率为0.1nm,纵向分辨率为0.01nm。本文的创新之处体现在:1)给出了集STM与AFM与一体的、能够达到原子量级分辨率的原子力显微镜系统中关键组件组件的设计理论及实现方法。该系统采用可拆卸微悬臂装置感知探针和样品原子间作用力,用STM法检测微悬臂的形变,这种方案使该系统既可作为AFM使用,也可以作为STM使用,有效扩大了仪器的应用范围,并且AFM和STM有同样的高分辨率;采用三级线性放大器作为前置放大器取代传统的单级放大器,同时采用对数放大器取代传统的折线放大器,保证了在大扫描范围条件下系统反馈控制的线性度。2)给出了满足整体性能要求的AFM镜体设计方案。该方案采用机械传动和压电陶瓷组合结构实现大范围纳米级定位和扫描,共提供了三种扫描方式:上扫

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 纳米科技概述
• 1.2 扫描探针显微镜家族
• 1.2.1 扫描隧道显微镜（STM）
• 1.2.2 原子力显微镜
• 1.2.3 在STM 和AFM 基础上发展起来的其他扫描探针显微镜
• 1.3 SPM 的主要应用
• 1.3.1 在生物技术方面的应用
• 1.3.2 在表面结构观察和分析中的应用
• 1.3.3 在纳米加工领域的应用
• 1.4 SPM 中的图像增强
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 2 原子力显微术基础理论和方法
• 2.1 原子力作用机理
• 2.1.1 原子间力
• 2.1.2 分子间力
• 2.1.3 与AFM 有关的力
• 2.2 AFM 成像的基本原理
• 2.3 力－距离曲线
• 2.3.1 接触式力曲线
• 2.3.2 轻敲式力曲线
• 2.3.3 力分布成像
• 2.4 微悬臂形变位移理论
• 2.4.1 弹性恢复力作用时的变形位移
• 2.4.2 针尖—样品间原子力作用时的变形位移
• 2.5 微悬臂形变检测
• 2.5.1 隧道电流检测法
• 2.5.2 光束偏转法
• 2.6 AFM 的操作模式
• 2.6.1 恒力模式
• 2.6.2 恒高模式
• 2.6.3 恒梯度模式
• 2.7 AFM 的成像模式
• 2.7.1 接触模式
• 2.7.2 非接触模式
• 2.7.3 轻敲模式
• 2.8 AFM 图像表征
• 2.8.1 图像数字化
• 2.8.2 图像增强
• 3 AFM.IPC-208B型机原理及系统设计
• 3.1 系统组成及技术指标
• 3.2 镜体
• 3.2.1 微悬臂微位移检测装置
• 3.2.2 压电陶瓷扫描器
• 3.3 数据采集与控制系统
• 3.3.1 前置放大器
• 3.3.2 对数放大部分
• 3.3.3 控制器设计
• 3.3.4 信号调理电路
• 3.4 扫描范围程控调节系统
• 3.5 低通与高通滤波
• 4 AFM 图像的小波增强处理
• 4.1 小波基本理论
• 4.1.1 连续小波变换
• 4.1.2 离散小波变换
• 4.1.3 二进小波变换
• 4.1.4 多分辨率分析
• 4.1.5 Mallat 算法
• 4.2 小波变换下的图像去噪理论
• 4.2.1 信号和噪声在多尺度空间的差异
• 4.2.2 小波阈值去噪方法
• 4.2.3 空域相关去噪方法
• 4.3 AFM 图像的小波空域相关去噪
• 4.3.1 AFM 图像质量影响因素分析
• 4.3.2 AFM 图像的小波空域相关去噪算法
• 4.3.3 实验结果
• 5 AFM.IPC-208B型机的应用研究
• 5.1 AFM.IPC-208B型机分辨率测试
• 5.1.1 对石墨的观察
• 5.1.2 白云母表面形貌的观察
• 5.2 在分子形态学方面的应用
• 5.2.1 V2O5 薄膜表面分子形态的研究
• 5.2.2 TaO 薄膜表面分子形态的研究
• 5.2.3 TiN 薄膜表面的分子形态研究
• 5.3 在生物学中的应用
• 5.3.1 AFM 生物样品制备技术
• 5.3.2 实验过程及结果
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录