基于探针模型的原子力显微镜图像重构研究

发布时间：2017-10-21 22:11

  本文关键词：基于探针模型的原子力显微镜图像重构研究

  更多相关文章： 原子力显微镜 系统温漂 探针针尖展宽效应 图像重构

【摘要】：原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)因其高分辨率、高运动精度、作业方式可重复、机械力式操作机理以及任意环境可适用等优点,在纳米研究领域获得了大量的实际应用。AFM观测与操作的作用机理是将探针针尖作为终端执行器,通过与探测区域之间的相互作用力对感兴趣区域进行高分辨率观测和高精度操作。由于AFM在扫描操作中存在一些不确定因素,诸如探针驱动器PZT非线性、系统温漂以及探针针尖展宽效应等因素的影响,导致AFM图像精度达不到理想要求,扫描图像与被扫描样本真实形貌不完全一致,严重制约了AFM在纳米操作领域的应用。本文针对系统温漂及探针针尖展宽效应引起的AFM图像失真问题进行AFM图像重构研究。由于AFM图像精度问题的重要性,国内外研究人员针对AFM图像重构进行了许多行之有效的研究。如基于图像配准的方式计算温漂大小,补偿系统温漂;通过局部扫描实时反馈系统温漂大小,对系统温漂进行动态补偿;利用精准的样本表面作为扫描样本,根据样本表面估算建立探针模型;基于数学形态学手段,利用盲建模算法建立探针模型等。但目前这些主流算法针对系统温漂的校正只局限于扫描图像的局部校正。但针对探针针尖展宽效应的研究多局限于探针针尖的建模,建模后多使用腐蚀运算进行图像重构,但通过腐蚀运算重构的AFM图像精度过低,无法达到预期的图像精度要求。目前针对这两方面的研究还不能完全解决系统温漂和探针针尖展宽带来的影响。本文针对系统温漂问题,提出一种基于温漂补偿模型的AFM图像重构算法,将同一样本两个不同角度的扫描图像相结合,利用其快速扫描方向精度相对较高的特点建立温漂模型,定义偏移矢量,完成温漂图像的重构,通过实验验证此方法能够有效消除系统温漂问题带来的影响,提高图像精度。针对探针针尖展宽效应这一问题,采用目前较为有效的一种探针建模方法建立探针模型,应用Lucy-Richardson算法,改善因探针针尖问题导致的扫描图像膨胀问题,经实验验证重构后纳米颗粒的形貌更接近于生产厂家提供的纳米颗粒形貌参数,有效降低了探针针尖展宽效应对于AFM扫描操作的影响,重构后提高了AFM图像精度,具有实际应用的价值。
【关键词】：原子力显微镜 系统温漂 探针针尖展宽效应 图像重构
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 原子力显微镜简介11-13
• 1.1.1 AFM应用及前景11
• 1.1.2 AFM工作原理11-13
• 1.2 AFM图像存在问题及重构意义13-16
• 1.2.1 AFM扫描过程13-14
• 1.2.2 AFM扫描特性分析14-15
• 1.2.3 AFM扫描成像中存在的问题15-16
• 1.2.4 AFM图像重构意义16
• 1.3 国内外研究现状16-18
• 1.3.1 国外研究现状17
• 1.3.2 国内研究现状17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-19
• 1.5 论文组织结构19-21
• 第二章 图像重构技术研究21-35
• 2.1 牛顿迭代法21-22
• 2.2 图像插值方法22-29
• 2.2.1 图像插值的应用23-26
• 2.2.2 最近邻点插值法26
• 2.2.3 双线性插值法26-27
• 2.2.4 牛顿插值法27
• 2.2.5 双三次B样条插值27-29
• 2.3 系统温漂校正方法29-32
• 2.3.1 基于图像配准的温漂补偿算法29-31
• 2.3.2 基于局部扫描的实时反馈算法31-32
• 2.4 探针建模方法32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 基于温漂补偿模型的AFM图像重构算法35-45
• 3.1 图像温漂模型定义35-37
• 3.2 系统温漂偏移矢量定义37-39
• 3.2.1 一阶偏移矢量37
• 3.2.2 二阶偏移矢量37-39
• 3.3 偏移矢量计算39-42
• 3.3.1 特征区域偏移矢量计算39-41
• 3.3.2 非特征区域偏移矢量计算41-42
• 3.4 整图重构方法42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 基于Lucy-Richardson方法的AFM图像重构研究45-51
• 4.1 探针模型的选择45-46
• 4.1.1 探针针尖展宽效应45
• 4.1.2 探针模型选择45-46
• 4.2 Lucy-Richardson方法研究46-50
• 4.2.1 L-R方法条件假设46-47
• 4.2.2 一维L-R方法定义47-48
• 4.2.3 二维L-R方法定义48-49
• 4.2.4 L-R方法边缘去噪49-50
• 4.3 基于L-R方法的AFM图像重构50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 算法仿真与实验分析51-61
• 5.1 温漂图像Matlab仿真实验51
• 5.2 AFM温漂图像重构实验51-58
• 5.2.1 纳米颗粒形貌变化52-55
• 5.2.2 温漂速度验证55-56
• 5.2.3 整体重构实验结果56-58
• 5.3 L-R方法重构AFM图像实验58-60
• 5.4 本章小结60-61
• 第六章 结论61-63
• 6.1 结论61
• 6.2 展望61-63
• 参考文献63-67
• 作者简介67
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文67-69
• 致谢69-70

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本文编号：1075451