基于微相关导引的SPM低漂移扫描方法研究

发布时间：2016-11-23 11:48

  本文关键词：基于微相关导引的SPM低漂移扫描方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

《中国科学技术大学》 2015年

基于微相关导引的SPM低漂移扫描方法研究

张连生  

【摘要】：扫描探针显微镜能实现样品表面形貌原子的成像以及纳米级的测量,在精密机械、材料科学、纳米技术和生物化学等基础领域得到了广泛的应用。然而在扫描过程中由温度变化等原因引起的漂移严重影响了扫描到的图像质量以及测量的精度。目前校正漂移的方法大都局限于对某一区域进行连续跟踪扫描,或者使用后处理的方法对采集到的图像进行漂移校正,限制了扫描探针显微镜实时获取低漂移图像的能力。为此,本论文提出了微相关导引扫描的方法,可以在扫描探针显微镜扫描的过程中进行实时的三维方向的漂移计算和补偿。 本论文围绕所提出的微相关导引扫描方法,对其工作原理进行了理论研究,并使用MATLAB软件对工作过程进行了仿真验证和分析。使用LabVIEW虚拟仪器和MATLAB图像处理的混合编程实现了该方法在基于AFM的实验平台中的应用,并对使用该方法扫描得到的图像进行了对比和分析。论文的主要研究内容和创新点如下： (1)本论文对微相关导引扫描方法的工作原理进行了理论研究。该方法在扫描整个目标区域时,使用逐条窄带扫描的方式。相邻的两条窄带的扫描区域部分重复,并且慢轴扫描方向相反。对于横向漂移,每条窄带被人为分成若干个微块,每扫描完当前窄带的一个微块区域,使用与上条窄带中重叠区域的图像进行数字相关计算得到该微块的漂移量,并实时的补偿,实现对下一个微块的导引扫描。扫描完每条窄带后,使用每个微块的漂移校正图像中的横向漂移影响。竖向漂移对每条窄带的影响可以视为是线性的,使用拟合背景参考平面的方式进行校正。 (2)本论文使用MATLAB软件对微相关导引扫描方法的可行性进行了仿真分析。在获取像素点的坐标时,加入随扫描时间变化的坐标偏移量来模拟扫描过程中漂移的影响。使用相关计算,可以准确的得到扫描过程中的人为设置的漂移量,误差与初始设置的漂移不超过0.5个像素点。通过得到的漂移量对扫描的图像进行漂移校正,恢复得到了和原始图像一样的图像,证明了该方法的可行性。通过仿真分析了窄带之间的重叠率和预设漂移速度对最终恢复的图像质量的影响,对于较大的漂移速度,需要使用较大的重叠率,而较大的重叠率会减小扫描区域的面积。 (3)本论文在商用原子力显微镜的基础上搭建了实验平台,并通过LabVIEW和MATLAB混合编程的方式进行控制。LabVIEW程序连接NI的PCI-6024E板卡实现了对原子力显微镜横向x-y平面的驱动以及对垂直方向z轴高度数据的采集。LabVIEW程序内部嵌入的MATLAB代码可以方便灵活的对采集的高度数据进行整合得到图像。该控制方法实现了对原子力显微镜的基本控制,为微相关导航扫描方法在原子力显微镜的应用打下了基础。 (4)本论文还对电压驱动带来的压电陶瓷迟滞和漂移补偿带来的漏扫描的问题进行了研究。建立了压电陶瓷管的正弦迟滞模型,并使用图像校正的方法消除掉大部分的迟滞的影响。未消除的较小的残余迟滞,和漂移一起在扫描过程中使用相关计算的方法得到,并进行校正。针对漏扫描问题,提出了“虚偏移”的思想,即在实际扫描过程中,每次扫描稍大区域的一整条窄带,根据漂移量的大小来选择微块在扫描的窄带中的位置,并通过进行相关计算得到漂移量,来导引下一个微块在窄带中的位置。每条窄带累积的漂移在窄带扫描完成后校正。通过这种方式,既可以保证扫描的图像中没有蠕变的影响,而且那些原本被漏扫描的区域也包含在整个窄带中,进行漂移校正后可以得到完整的没有畸变的图像。 (5)本论文在原子力显微镜中实现了微相关导引扫描方法并扫描得到了图像。使用蓝光光盘样品,扫描了15条160×1000的窄带,并组合成了一幅720x1000的图像。使用多项式和一阶正弦函数来拟合总漂移量趋势中漂移和残余迟滞的影响,得到了第一条窄带的漂移速度,并用来校正整个图像中第一条窄带的漂移畸变。与传统光栅式扫描方法得到的图像对比,该方法扫描得到的图像表现出了更小的漂移和迟滞影响,基于图像的测量误差小于1.5%。 基于以上研究,本论文提出和实现的微相关导引扫描方法可以很好的解决扫描探针显微镜扫描过程中的三维方向的漂移问题。由于实现了扫描过程中的漂移计算和补偿,该方法可以在纳米的精度下扫描大范围的图像,对于扩展扫描探针显微镜扫描的应用具有一定的理论价值和实用意义。

【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 姚世锋;薛德庆;张彦斌;蔡继军;;LabVIEW与Matlab的混合编程[J];兵工自动化;2005年06期

2 刘赛锦,侯士敏,申自勇,张琦锋,郭等柱,薛增泉;用扫描电容显微镜(SCM)研究金基底上的铝纳米粒子[J];北京大学学报(自然科学版);2002年03期

3 李家文;李佳;陈宇航;黄文浩;;AFM非线性测量的影响因素分析[J];电子显微学报;2009年02期

4 姚骏恩;电子显微镜的现状与展望[J];电子显微学报;1998年06期

5 廖双龙,王凌峰;用Labview进行并行多任务编程[J];国外电子测量技术;2000年05期

6 崔玉国,孙宝元,董维杰,杨志欣;压电陶瓷执行器迟滞与非线性成因分析[J];光学精密工程;2003年03期

7 董维杰;宋志杨;崔岩;;压电陶瓷管的微位移测量与非线性校正[J];光学精密工程;2009年09期

8 沈全洪,徐端颐,齐国生,张启程,胡恒,宋洁;高密度蓝光存储及其扩展技术[J];光学技术;2005年06期

9 陈英飞,章海军;基于AFM的微位移测量新方法研究[J];光学仪器;2005年04期

10 邓小川,赵俊霞,刘桥;面向仪器的图形化编程环境LabVIEW[J];贵州科学;2002年04期

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 闫勇刚,马强,黄俊杰,刘万里,孙大许,梁智永;基于AFM检测信息存储介质表面结构的研究[J];微纳电子技术;2005年03期

2 傅惠南,王宏霞,区仲荣;扫描探针制备技术的研究现状及发展[J];微纳电子技术;2005年05期

3 谢国兵;刘卫国;高爱华;;基于压电陶瓷的激光谐振腔长控制技术[J];兵工自动化;2012年03期

4 王显;马少鹏;陈俊达;宋义敏;;数字散斑相关方法的全场优化表述[J];北京理工大学学报;2011年05期

5 王丽宇,鹿振友,赵东,王淑娟;白桦材LT型裂纹的演化与增长行为的研究[J];北京林业大学学报;2002年02期

6 苑维双;李进;张飒;杜一立;;原子力显微镜在微生物腐蚀研究中的应用[J];表面技术;2007年06期

7 周建伟,王振林,郭勇;DSCM变形测定新技术在柔性包装力学性能测定中的应用[J];包装工程;2004年01期

8 邹文栋;魏永强;纪海燕;;一种闭环微纳定位扫描系统设计[J];传感器与微系统;2009年11期

9 韩同鹏;李国平;沈杰;;基于压电陶瓷微位移执行器的精密定位技术研究[J];传感器与微系统;2010年02期

10 王俊,孙宝德,赵华庭,杨汉国,周尧和;颗粒增强金属基复合材料中界面附近位移场测量的探索[J];测试技术学报;1998年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 孙舒;曹树谦;;压电材料迟滞特性建模研究[A];第十三届全国非线性振动暨第十届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议摘要集[C];2011年

2 于瀛洁;刘祎庆;;数字散斑相关测量中的曲面拟合搜索方法[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年

3 赵义敏;张正义;韩景智;刘旭波;岳明;;HDDR各向异性粘结NdFeB磁体磁畴结构的观察[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年

4 孙宝玉;付立成;;基于压电陶瓷的微位移机构动态特性研究[A];科技创新与节能减排——吉林省第五届科学技术学术年会论文集（上册）[C];2008年

5 张敬雨;陈建;金永中;;扫描探针DFM模式下的炭黑表面微观结构研究[A];四川省机械工程学会粉末冶金专委会学术交流会、成都市2007科技年机械工程学会粉冶年会论文集[C];2007年

6 常迎梅;杨红果;马腾武;范丽娟;张海新;;基于AFM的煤体微结构研究[A];第三届科学仪器前沿技术及应用学术研讨会论文集（三）[C];2006年

7 郭生士;;用扫描探针显微镜扫描二维光栅形貌[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（2）[C];2008年

8 王占和;林鸿溢;;纳米电子学的物理基础[A];第一届全国纳米技术与应用学术会议论文集[C];2000年

9 陈复明;王戈;程海涛;李贤军;;数字散斑在测量植物纤维织物双轴向拉伸应变场中的应用[A];第二届中国林业学术大会——S11 木材及生物质资源高效增值利用与木材安全论文集[C];2009年

10 陈琨;王志红;;磁力显微镜中磁力信号对形貌像干扰的研究[A];第四届全国磁性薄膜与纳米磁学会议论文集[C];2004年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 吴云良;扫描近场光学显微镜若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年

2 付永忠;基于AFM和硫系相变材料的超高密度数据存储机理研究[D];江苏大学;2010年

3 范菊莉;人血小板冷冻干燥保存工艺的优化研究[D];浙江大学;2009年

4 黄永林;PCB光电检孔机关键技术研究及其系统实现[D];电子科技大学;2010年

5 孙鸣捷;微型投影显示系统中混合光源照明技术和激光散斑消除技术的研究[D];浙江大学;2010年

6 陈荣;一种PBX炸药试样在复杂应力动态加载下的力学性能实验研究[D];国防科学技术大学;2010年

7 张晶晶;二元铁基Fe-X（X＝Ga，Mn）合金的结构及磁致伸缩研究[D];浙江大学;2010年

8 杨红生;面向微束类分析仪器样品视频的可分级视频编码方法研究[D];吉林大学;2011年

9 薛冬新;激光扭矩测量中散斑统计学理论及试验研究[D];大连理工大学;2011年

10 张月义;质量损失函数与测量系统校准研究[D];南京理工大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 黄长辉;金属材料断口三维形貌检测与表征分析[D];南昌航空大学;2010年

2 刘小顺;压电智能结构的有限元仿真与实验研究[D];大连理工大学;2010年

3 姚国良;压电微悬臂梁的动态特性测试[D];大连理工大学;2010年

4 吴太广;数字图像相关方法及其应用研究[D];长沙理工大学;2010年

5 朱珠;压电陶瓷驱动器特性研究及二维微纳定位平台结构设计[D];浙江大学;2011年

6 徐慧忠;基于AMR效应与Si集成的开关芯片的制备[D];电子科技大学;2011年

7 吴梦洁;PVP-SDS软模板制备纳米银[D];江南大学;2011年

8 张静;再生水中弗氏柠檬酸杆菌对铜合金的腐蚀机理研究[D];北京交通大学;2011年

9 王运方;不对称中位取代卟啉类半导体材料的合成及其性质[D];吉林大学;2011年

10 胡磊磊;超精密加工中的刀具补偿驱动平台及熨压机构的研究[D];吉林大学;2011年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄益民,李稼,刘丹晶,虞欣,赵辉,张平成,白春礼;原子力显微镜对自由基损伤的红细胞膜表面精细结构的研究[J];北京生物医学工程;1999年01期

2 王青;徐新华;;干涉仪测量球面曲率半径的精度分析[J];东南大学学报(自然科学版);2009年S2期

3 马全红,赵冰,张征林,朱争鸣;原子力显微镜中探针与样品间作用力及AFM的应用[J];大学化学;2000年05期

4 张亦奕;牟建勋;邵志峰;;原子力显微镜在结构生物学中的应用[J];电子显微学报;1996年Z1期

5 赵清亮,王景贺,李旦,董申;扫描探针显微镜的最新技术进展及应用[J];电子显微学报;2000年01期

6 张瑞;叶仲斌;罗平亚;;原子力显微镜在聚合物溶液结构研究中的应用[J];电子显微学报;2010年05期

7 张英鸽,王琛,赵德禄,白春礼,林樟,田芳,苏明;乙酰胆碱酯酶分子的原子力显微成像[J];电子显微学报;1999年01期

8 林璋,王琛,冯喜增,白春礼;亚精胺诱导DNA凝聚的有序性的AFM研究[J];电子显微学报;1999年01期

9 彭章泉,唐智勇,汪尔康;化学力显微镜针尖修饰技术研究新进展[J];分析化学;2000年05期

10 鲍幸峰,方积年;原子力显微镜在生物大分子结构研究中的应用进展[J];分析化学;2000年10期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 甘金来;图像边缘检测算法的比较研究[D];电子科技大学;2005年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨金涛,徐文东;扫描探针显微镜系统的各种组合方式[J];激光与光电子学进展;2005年06期

2 黄龙飞;丁喜冬;;扫描探针显微镜中数据格式的分析及转换程序的设计[J];电子显微学报;2011年03期

3 纪小龙，，罗良明;扫描探针显微镜[J];诊断病理学杂志;1996年02期

4 傅冰;扫描探针显微镜技术及最新进展[J];磁记录材料;1998年02期

5 吕露,楼柿涛,蒋大真,张桂根,李永丰,胡钧,胡志强,张桂林,李民乾;基于互联网的扫描探针显微镜远程控制研究[J];高技术通讯;2000年04期

6 戴长春,SU Xiao-di,Hou Tee Ng,Li Fong Yau Sam;多探头扫描探针显微镜系统[J];电子显微学报;2003年03期

7 田文超,贾建援;扫描探针显微镜系列及其应用综述[J];西安电子科技大学学报;2003年01期

8 路小波,陆祖宏,周庆,王国著;大面积扫描探针显微镜研制[J];中国工程科学;2004年09期

9 孙浩明;王志红;曾慧中;古曦;;扫描探针显微镜针尖电容的测量与应用[J];电子测量技术;2009年02期

10 彭超;徐红兵;张健;;扫描探针显微镜的控制技术综述[J];控制理论与应用;2011年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 郭生士;;用扫描探针显微镜扫描二维光栅形貌[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集（2）[C];2008年

2 戴长春;Hou Tee Ng;Yau Sam;;多探头扫描探针显微镜系统[A];全国第七届扫描隧道显微学学术会议（STM'7）论文集（二）[C];2002年

3 孙鑫;费敏锐;;基于神经网络的扫描探针显微镜标定技术研究[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集（一）[C];2007年

4 韩立;韩冬;王秀凤;陈皓明;;扫描探针显微镜进行细胞扫描时探针对于细胞活性的影响[A];全国第七届扫描隧道显微学学术会议（STM'7）论文集（一）[C];2002年

5 邬晓华;周发升;王文伟;黄文浩;;扫描探针显微镜教学演示软件[A];第五届全国STM学术会议论文集[C];1998年

6 范红玉;杨杞;杨德明;牛金海;倪维元;刘东平;;基于多模式扫描探针显微镜技术研究碳化硅的离子辐照损伤[A];第十六届全国等离子体科学技术会议暨第一届全国等离子体医学研讨会会议摘要集[C];2013年

7 刘辉;黄自元;费敏锐;;基于DSP的扫描探针显微镜中压电陶瓷管非线性校正技术及其实现[A];全国冶金企业计控网络化研讨会论文集[C];2003年

8 陈津平;胡晓东;陈峰;郭彤;胡小唐;;振动与扫描速率综合影响SPM图像的实验研究[A];全国第七届扫描隧道显微学学术会议（STM'7）论文集（二）[C];2002年

9 赵亚军;程茜;钱梦騄;;SPAM试样振动模式下系统频率特性的模拟与仿真计算[A];2009年西安-上海声学学术会议论文集[C];2009年

10 赵亚军;程茜;钱梦騄;;SPAM低频激励下试样位移场的ANSYS模拟[A];2008年全国声学学术会议论文集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 王小龙;[N];科技日报;2010年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 黄自元;扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用[D];上海大学;2004年

2 李银丽;多功能扫描探针显微镜的研制和应用[D];大连理工大学;2006年

3 王硕;扫描探针显微镜在多孔材料制备、纳米光刻以及高密度光存储中的应用[D];大连理工大学;2013年

4 孙伟;扫描探针显微镜生物成像研究与光镊的FDTD模拟[D];大连理工大学;2006年

5 庞宗强;组合扫描探针显微镜系统研制[D];中国科学技术大学;2010年

6 张连生;基于微相关导引的SPM低漂移扫描方法研究[D];中国科学技术大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王广红;基于压电微音叉的扫描探针显微镜系统研究[D];合肥工业大学;2010年

2 胡永康;扫描探针显微镜的研究及应用[D];大连理工大学;2000年

3 张琨;扫描探针显微镜成像系统研究与图像分析[D];大连理工大学;2005年

4 姜燕;信息记录介质的扫描探针显微镜研究[D];南京航空航天大学;2005年

5 王春雨;基于DSP的新型SPM系统硬件方案研究[D];中国科学院研究生院（电工研究所）;2005年

6 夏清文;基于数字PID的SPM控制系统[D];中国科学院研究生院（电工研究所）;2006年

7 张雪辉;基于DSP的扫描探针显微镜的研究与应用[D];河北工业大学;2003年

8 田松鹏;基于Qplus技术扫描探针显微镜扫描头的研制[D];华中科技大学;2013年

9 郭翔宇;基于扫描探针显微镜的纳米复合聚烯烃表面特性研究[D];哈尔滨理工大学;2013年

10 蔡堃;扫描探针显微镜测量单根四针状氧化锌晶须电阻方法[D];西南交通大学;2012年

  本文关键词：基于微相关导引的SPM低漂移扫描方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：188185