（凝聚态物理专业论文）原子力显微镜afmipc208b的图象数据分析与后处理修正.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 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尺度观察和表征 以及纳米加工领域发挥着极度重要的作用。基于隧道电流检测法的原子力显微镜 ( a f m i p c 2 0 8 b 型机) 所采集到的隧道电流信号，是重建原子力显微镜图象的原始 数据，不仅表征着样品的表面形貌和分子结构，而且还隐含着整个显微镜系统的 动态特性。分析和处理a f m 图象数据对原子力显微镜在纳米科技领域的应用就显 得至关重要。 本文对重庆大学研制的a f m i p c 2 0 8 b 型机进行了整机系统的深入了解，通 过探讨实验操作过程中影响a f m 成像的重要因素，利用自相关函数以及功率普密 度对影响图象数据的因素进行了分析，并针对分析结果提出了对图象后处理及修 正的方法和意见。本文提出并应用处理时间序列的方法进行了a f m 图象分析，同 时建立了一类阻尼谐振子模型解释系统在时域和频域中的特性。 以下是本文的主要内容： 1 针对原子力显微镜a f m i p c 一2 0 8 b 型机系统，分析了a f m i p c 2 0 8 b 型机 的工作理论基础，给出了其系统组成，其中侧重于探讨实验操作过程中影响检测 结果的重要因素。 2 将时间序列的分析方法引入对图象数据的分析，介绍了几种常用的时序信 号分析方法，包括自相关函数、功率谱密度、相空间重构以及小波变换。并介绍 其算法、实现、发展和在相关领域中的应用。 3 分别对a f m i p c 。2 0 8 b 正常工作状态下，非正常工作状态下，对维持探针 与样品间距的压电瓷端压z 值以及成图的p 值的时序信号予以测量；对测量得到 的各时序信号采用自相关运算、功率谱密度估计等方法加以分析和特征提取，找 出不同状态下的各组数据内含的规律；结合实验中数据的功率谱密度图与自相关 函数曲线的特性，建立一类随机力驱动的阻尼谐振子模型，对该模型得自相关曲 线与功率谱密度加以拟合，发现与实验结果吻合得较好。 4 结合本a f m 的成像模式和特点，建立关于驱动样品扫描的压电陶瓷的运 动模型，对其引起的扫描范围误差及交叉耦合误差加以分析并提出修正的方法和 条件。同时运用满足a f m 实时成像要求的小波图像去噪算法对a f m 图象进行了 后处理和修正，取得了良好效果。 关键词：原子力显微镜，压电陶瓷，时序信号，自相关函数，功率谱密度，阻尼 谐振子模型，小波去噪 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt o o l si nn a n o s c a l cd e t e c t i o na n dn a n o s c a l e f a b r i c a t i o n ，a f mi sr e c e i v i n ge v e r - i n c r e a s i n gp o p u l a r i t yi na l lk i n d so fa p p l i c a t i o n t h e t u n n e l i n g - c u r r e n ts i g n a l sw h i c ha c q u i r e db ya f m i p c - 2 0 8 b ，i n c l u d eb o t ht h es a m p l e s m o l e c u l a rs t r u c t u r ea n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l ea f m s y s t e m s ot h e a n a l y s i so f t h ea f mi m a g ed a t ab e c o m eaa l l i m p o r t a n tp r o c e s s t h em a i nw o r ki n t h i st h e s i si st os t a t et h ew h o l es y s t e mo fa f m i p c - 2 0 8 b d e v e l o p e db yc h o n g q i n gu n i v e r s i t y , t h ee f f e c tf a c t o r st oi m a g eq u a l i t yi sd i s c u s s e d ， a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( a c f ) a n dp o w e rs p e c t r a ld e n s i t ya r ee m p l o y e dt oa n a l y z et h e i m a g ed a t a ，t h e ns o m ei m p r o v e ds u g g e s t i o n sa n dm e t h o d sf o ri m a g ep r o c e s sa n di m a g e e n h a n c e m e n ta r ep u tf o r w a r d t h i st h e s i sp r o p o s e da n da p p l i e dt h ea n a l y s i sm e t h o df o rt i m e - s e r i e ss i g n a lt oa f m i m a g e t h eo u t l i n eo f t h i st h e s i si ss h o w e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef o u n d m e n t a lp r i n c i p l e sa n dt h eb a s i ct h e o r i e so fa f ma r ei n t r o d u c e d b f i e f l y t h ee f f e c tf a c t o r st ot e s t e dp r e c i s i o na n di m a g eq u a l i t yi nt h ec o u r s eo f e x p e r i m e n t si sd i s c u s s e d ，s u c ha s ，c a n t i l e v e rt i p s s t r u c t u r ea n dt h ep a r a m e t e rs e r i n g s ( 2 ) t h ec u r r e n tm e t h o d so ft i m e s e r i e ss i g n a la n a l y s i sw e r er e v i e w e d t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o fs e v e r a l a l g o r i t h m s w e r ei n t r o d u c e d ，s u c h 硒 a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( a c f ) ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) ，w a v e l e tt r a n s f o r m ( 3 ) t h ea u t o - c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( a c f ) a n dp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) a r e u t i l i z e dt o a n a l y z et h es i g n a la c q u i r e di ns e v e r a ld i f f e r e n ts c a n n i n gc o n d i t i o na n dt h ed a t a sf e a t u r e v e c t o rw a se x t r a c t e di nb o t ht i m es p a c ea n df r e q u e n c ys p a c e ad a m p e dh a r m o n i c o s c i l l a t o rm o d e li sp r e s e n t e d t h eg e n e r a ls o l u t i o no fs u c hh a r m o n i co s c i l l a t o r s l a n g e v i ne q u a t i o ni sd e d u c e d ag o o da g r e e m e n to nb o t ha c f c u r v ea n dp s d p r o p e r t y i ss h o w e di nc o m p a r i n gt h ef i t t i n gr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i tc o u l db e c o n c l u d e dt h a tt h ed a m p e dh a r m o n i co s c i l l a t o rm o d e la r ef e a s i b l ef o ra n a l y z i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f a f ms y s t e m ( 4 ) f o rt h ed o w n - s c a n n i n gm o d eo fa f m i p c - 2 0 8 b ，ak i n e m a t i c sm o d e lo f p i e z o c e r a m i c s s a m p l e c a n t i l e v e rt i p i s a p p l i e d ，t h es a n n i n g s i z ee r r o ra n d c r o s s c o u p l i n ge r r o ra l ea n a l y z e d ，s o m ea p p r o a c h e st om i n i m i z et h ee r r o r sa r ep r e s e n t e d ； a tt h es a m e t i m e ，aa l g o r i t h mo fa f mi m a g er e a l t i m ee n h a n c e m e n tb a s e do nw a v e l e t i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 t r a n s f o r mi sp r o p o s e d e x p e r i e n t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a l lr e m o v en o i s e 、c o r r e c t d i s t o r t i o n sa n dp r e s e r v es i g n i f i c a n td e t a i l s k e y w o r d s ：a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) ，p i e z o c e r a m i c s ，t i m e s e r i e ss i g n a l ， a u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ( a c f ) ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s d ) ，d a m p e d h a r m o n i co s c i l l a t o rm o d e l 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夕n 印签字吼彤年钼彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ”) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名： 签字日期：沙即年彩月彩日 ， 。 刷醴轹王夕绎 签字日期：纱蜥7 年月日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 时下，扫描隧道显微镜( s t m ) 和原子力显微镜( a f m ) 在纳米科技领域扮演的 角色越来越重要，其应用范围也越来越广，使用也越来越频繁。所有的这一切都 是建立在其原子级高分辨率的基础之上的，而且s t m 和a f m 对样品进行检测后的 样品表面信息的图片，是经过对该系统的原始扫描数据进行三维重建修i e ( 例如平 滑，滤波等等) 得来的。那么，s t m 和a f m 系统的故障或劣化将直接影响到其精度， 稍有差池往往就会造成重建表面形貌所依赖的原始数据图像失真。也就是说，得 出的数据本身便含有丰富的信息，通过对数据进行挖掘，可以模拟出系统的特性。 所以，实验中对所采集的数据进行分析和图像后处理修正就显得至关重要。对于 s t m 和a f m 来说，一般的问题都来自于工作时外界环境的影响，同时，特别是对 于自行研制开发的仪器，电子元器件本身的材质、品质、精度和焊接工艺上的缺 陷，以及疲劳、气蚀等原因致使其不能正常工作，最后导致扫描的图像失真或失 效。也正是s t m 和a f m 原子级的高分辨率，使得其对工作环境的要求较高，轻微 的振动和干扰都会带来足以破坏整个实验的严重后果，而一般情况下又难以完全 达到所要求的标准，实验现场存在着诸如冲击、共振以及湿度影响、电子元器件 老化劣化导致本身的精度降低、焊点松化导致漏电等因素，使得s t m 和a f m 系统 发生故障具有一定的随机性；压电陶瓷非线性、蠕变、回滞、压电电极非正交、 非均匀型等因素的影响。这些因素不仅带来图像的降质，而且能引起图像的失真。 对信号的贡献又有一定的确定性。所以说a f m 系统所采集的信号既具有确定性的 部分，又有随机性的部分。 不论何种基于s t m 的a f m 仪器，其成像原理都是相同的，以s t m 的恒电流工 作模式为例，其成像依据无非是通过检测隧道电流与恒流值的差分信号与检测控 制探针随样品上下起伏的压电陶瓷端压的大小，当然a f m i p c 一2 0 8 b 也不会例外， 这些物理量不仅仅和空间位置有关，同时也是随着时间变化的，通过一定的条件， 可以看成是时序数据予以分析，对于此类动态信号的分析，手段有很多种，对于 由压电陶瓷引起的确定性部分，主要方法是通过建立一定的物理数学模型，对压 电陶瓷引起的误差加以分析，根据分析结果对图像加以校正；针对不确定性的信 号部分，主要手段是将在时间域变化的的信号转换为在频率域中有效值或均方值 随频率的分布，后者又常称为谱分析；除频率域分析之外，还有时域分析与频域 分析。具体方法有互为傅立叶变换的自相关函数和功率谱密度函数以及相空间重 重庆大学硕七学位论文 1 绪论 构等等。 1 1 2 研究的意义 本文研究的意义为： 对于a f m i p c 一2 0 8 b 仪器这种庞大复杂的系统，不仅仅要对其本身所产生的信 号进行采集测量和数据信号的简单转换、重建，还必须对这些动态信号数据进行 深入的挖掘，找出某些确定性的可控性的东西。由此，可以对实验仪器的整体系 统特性有更进一步的认识，从而在以后具体的实验过程中，对所采集的数据进行 分析和图像的后处理重建修正时作到有据可依。鉴于高精度的s t m & a f m 可用于 具备周期性或不具备周期性的表面结构研究，同时能够观察单个原子层局部表面 结构，因而可以直接观察表面原子的规则性排列( 例如表面缺陷、表面重构、表 面吸附体的形态及位置) 等特性，本课题的另一个重要工作就是通过使用 a f m i p c 2 0 8 b 型原子力显微镜( 由重庆大学杨学恒教授于2 0 0 3 年主持研制) 着重 分析典型的样品，与理论的结果进行对照，从而对前期所分析出的结论进行初步 的验证。 此外，在仪器的自行研制开发初期，由于知识产权的原因，对仪器的某些先 验性的信息比较少，只有采用静态设计的方式，这样对仪器的动载荷和动特性的 测试就不可能考虑得面面俱到，在使用过程中，不管出现什么问题，往往只有采 取局部补救和动态校核。如果能够拥有一定的基于各种状况下出现的问题的相关 知识经验积累，将会对图像的后期重建和修正提供一定的建议，而且对以后仪器改 进和升级也能提供一定的依据和参考。这样，在扫描隧道显微镜仪器的工作和实 验进程当中，对仪器所出现的各种问题进行实时地监测以及对所采集的数据进行 分析、归纳就显得至关重要。因此，本课题具有一定的学术意义和实用意义。 1 2 国内外研究现状 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获 得者查理德费曼( r i c h a r dpf e y n m a n ) 。1 9 5 9 年他在一次著名的演讲中曾经这样说： “如果人类能够在原子分子的尺度上来加工材料，制备装置，我们将有许多激动人 心的发现我们需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测定其性质 那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。”他并预言：“当 2 0 0 0 年人们回顾历史的时候，他们会为直接用原子、分子来制造机器而感到惊 讶。”( 查理德教授于1 9 8 8 年去世) 。 1 0 0 年前，爱因斯坦在其博士论文中曾根据糖在水中扩散的实验资料计算出 一个糖分子的直径约为l 纳米。1 0 0 年后的今天，纳米尺度在科学中的重要性迅速 膨胀起来。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 9 7 4 年日本谷1 ：3 纪南( t a n i g u c h i ) 教授最早使用“纳米技术”( n a n o t e c h n o l o g y ) 一词描述精细机械加工。7 0 年代后期，美国麻省理工学院德雷克斯勒提倡将纳米 技术作为一门专门的科学技术对之进行研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑 态度。 纳米科技是指在纳米尺度( 1n n l 到1 0 0 啪之间) 上研究物质( 包括原子、分子的 操纵) 的特性和相互作用( 主要是量子特性) ，以及利用这些特性的多学科交叉的科 学和技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米 科技的最终目标是以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化 学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。随着人类对客观世界认知的革命， 纳米科技将引发一场新的工业革命。由于量子效应，微电子器件的极限线宽一般 认为o 0 7 微米( 7 0 纳米) 。根据美国半导体工业协会预计，到2 0 1 0 年半导体器件的 尺寸将达到0 1 微米( 1 0 0 纳米) 。这正好是纳米结构器件的最大长度。小于这一尺 寸，所有的芯片需要按照新的原理来设计。为了突破信息产业发展的瓶颈，必须 研究纳米尺度中的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法和技 术标准。在这一尺度上制造出的计算机的运算和存储能力，将比目前微米技术下 的计算机性能呈指数倍的提高，这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的 革命。同样，生命科技也面l 临着在纳米科技影响下的变革。所以，人们认为纳米 科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。正如美国新技术周刊 指出：纳米技术是2 1 世纪经济增长的一个主要的发动机，其作用可使微电子学在 2 0 世纪后半叶对世界的影响相形见绌。纳米科技的迅速发展是在8 0 年代末、9 0 年代初。8 0 年代初中期出现的纳米科技研究的重要手段扫描隧道显微镜 ( s t m ) 、原子力显微镜( a f m ) 等微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起了积 极的促进作用。 扫描探针显微镜( s p m ) 的出现，标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到 一个全新的领域。作为纳米科技重要研究手段的s p m 也被形象地称为纳米科技的 “眼睛”和“手”： “眼睛， _ 一可以利用扫描探针显微镜直接观察测试原子、分子的相互作用与特 性； “手，- 一可以借助扫描探针显微镜移动原子，构造纳米结构，同时为科学家提 供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。 图1 1 是借助扫描探针显微镜，将原子一个个重新排列，构筑出“原子”字样的 示意图。图1 2 是借助扫描探针显微镜，在铂( 1 l l 面) 基底上将一氧化碳重新排列， 构造出类似“纳米人”样的示意图。图1 3 也都是“手”的功劳，通过原子力显微镜操 控形成的“原子围栏”。 3 重庆大学硕士学付论文 1 绪论 图1 1 ，用原子排列成的“原子”两个汉字 f i gt 1i r o n o n c o p p e r ( 1 1 1 ) 图1 2 ，原子排列成的“纳米人” f i g1 2c a r b o n m o n o x i d e o n p l a t i n u m ( 1 1 1 ) 图1 3 ，原子围栏 f i g1 3a t o m i ce n c l o s u r e 扫描隧道显微镜f 2 1 ( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ) 和原子力显微镜 3 ( a t o m i c f o r c em i c r o s c o p y ) 作为主要的检测工具在这纳米领域便有着广泛的应用。如分子医 学、分子化学、生物学、材料学以及纳米级定位与加工的微机械制造等。1 9 8 2 年， 世界上成功地推出了第台扫描隧道显微镜【4 i ( s t m ) ，该显微镜是基于量子力学的 隧道效应，通过一个由压电陶瓷驱动的探针在样品表面作精准的二维扫描，精度 可以达到纳米量级( 1 0 4 m ) ，该显微镜的的探针尖端通过一定的技术方法理论上可 以制成只有一个原子大小的粗细，通过微位移驱动至与样品表面足够近的距离内 ( 通常小于1 0 - g m ) ，在一定的偏压的作用下，会产生一种电流流过探针，称之为 4 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 隧道电流，其对于探针与样品之间的距离十分敏感，因此，通过感知探针在样品 表面扫描时的隧道电流的变化就可以间接获得样品表面起伏的信息，这些信息经 过计算机重建后就可以轻松获得样品表面精细结构的真正图像。后来鉴于s t m 的 探测金属针尖与样品表面的隧道电流的原理而不能测量非导电材料，s t m 的发明 者g e r d b i n n i n g 博士和q u a t e 教授设想利用s t m 检测隧道电流变化的方法来检测 金属微悬臂与样品表面原子问力的变化，拓画出样品表面力的等势面从而得到样 品表面的图像，这一设想直接促成了1 9 8 6 年世界上第一台原子力显微镜垆1 ( a f m ) 的诞生。2 0 0 5 年8 月中旬于加州大学圣芭芭拉分校举行题为“s e e i n ga t t h e n a n o s c a l e ”会议上，各国的与会科学家报道了纳米技术取得的重要进展。这是第三 次召开这种科学会议，目的是为科学家和研究人员就交叉领域的纳米主题提供交 换思想的会议平台，由v e e c o 和加州n a n o s y s t c m 研究所( c n s i ) 共同主办的。来 自2 0 多个国家2 0 0 多名世界领先的科学家参与的这次盛会。讨论的几个重要进展 包括：瑞士布鲁塞尔生物结构研究所的m a r t i ns t o l z ，m a u r i c eem u e l l e r 制定了一种 可以用来测量组织弹性的a f m 基的测量草案。另外，他们给出的a f m 图像演示 了软骨随着年龄的老化分子弹性损失的情况；德国奥格斯堡e k m 大学的f r a n z g i e s s i b l 报道了利用高协调性原子力显微镜观测具有次埃分辨率的单一原子的图 像；3 w j + l 大学圣芭芭拉分校的p h i l i p pt h u m e r 解释了利用a f m 图像如何帮助揭示 人类骨头的纳米结构，并且如何影响纳米复合物骨头的三维模型；目前，德国物 理学家f r a n zg i e s s i b l 等人己制出能观测小于1 0 0 皮米( p i c o m e t e r ，亦称微微米，即 1 0 一1 2 公尺) 尺度的原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) 6 t 0 在我国，扫描探针显微镜的工作也正在逐渐兴起，特别是这几年来有了长足 的发展，代表产品有中科院化学所最新研制的c s p m - - 2 0 0 0 w e 扫描探针显微镜j ， 重庆大学由杨学恒教授于2 0 0 3 年主持研制的a f m i p c 2 0 8 b 型原子力显微镜( 集 s t m 与a f m 一体) 1 8 1 等。该仪器为很多单位都提供过样品的检测，通过参考关于该 仪器测试的图片方面公开发表的文献，得知其横向精度可以达到o 1 n m ，纵向可以达 到o 0 1 n m 具有原子级的分辨率，横向和纵向分别可以达到0 1 n m 和0 0 1 n m 。 为了使仪器更好的为纳米科技的发展服务，从图象上来讲，获得更清晰的 图片，提高图象的分辨率，增强“眼睛”的能力的同时也为“手”提供了更好的条件。 这就需要一方面要从仪器的理论上着手，提取新观点、新看法，采取新思路。f r a n z g i e s s i b l 等人研制的显微镜系采用单一碳原子做为探针，其分辨率至少为传统扫描 隧道显微镜的三倍以上。研究成果即将在r 科学j 期刊上发表 1 】。科学家通常以 扫描隧道显微镜来获得样品表面高低起伏的影像，且可辨别出单一原子的影像。 扫描隧道显微镜是藉由测量由样品隧穿至探针的电子所产生的电流，而得到样品 表面的影像。因此，扫描隧道显微镜只能探测到样品表面的部分电子。原子力显 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 微镜则是测量探针与样品间的静电力，而样品表面上全部的电子都对这样的静电 力有贡献。g i e s s i b l 等人以单一碳原子做为原子力显微镜的探针，来量测钨制针 尖表面的个别原子。钨制针尖一般是做为原子力显微镜的探针，而碳原子通常是 被观测的对象，然而g i e s s i b l 等人将两者的角色互换。当钨制针尖以次纳米级的 振幅振动时，其尖端原子与碳原子间的交互作用力，使基频弦波中产生较高的泛 音。研究团队测量这些讯号，得到分辨率高达7 7 皮米的影像。他们下一步的计划， 则是采用其它的轻原子，例如铍、氢，做为探针。g i e s s i b l 相信显微技术的进步能 够让我们对自然科学取得更大突破，并且在纳米科学能够取得更大更新的进展j 。 另一方面，图象的解释与仪器系统的性能也不容忽视，原子显微镜系统是一套复 杂的系统，任何一个部分的元件或电路以及外部环境的任何因素都将影响到所得 图象的质量。中国科学院院士、美国科学院院士白春礼就专门用不同的物理数学 模型对原子力显微镜由于探针针尖以及探测环境所引起的双像等问题作过详细的 研究【9 】o 本文提出的基于时间序列的自相关运算功率谱密度估计等方法，现在一般都运 用在关于经济数据序列，气候数据序列，地震数据序列等方面，用于扫描隧道显微镜 以及原子力显微镜图象数据的并不多见，也有部分研究者利用小波变换的方法应 用于图象的解释与增强，针对的是图象本身。由于图象是由原子力显微镜探测的 实时信号数据重建的，直接针对原始信号数据进行分析的相关研究并不多见。本 课题则将把这种方法运用到对a f m i p c 2 0 8 b 仪器的图像数据分析与图像后处理 修正两方面。 1 3 本文研究的目的和研究内容 1 3 1 本文研究的目的 本文研究的主要目的为： 通过实时采集在实验中获得的数据，包括空扫、进入状态以及人为地给仪器 迭加一些已知频率的各种类似振动、冲击的干扰噪声，对于测试所得到的数据， 分别运用相空间重构、相关函数以及功率谱密度函数【j 2 】等方法予以分析，在 貌似无规律的信号中找出出现的这些数据的规律，以及这些规律内含的物理意义， 积累相关知识和经验，为该仪器在对扫描所获得的原始数据进行图像后处理时提 供一定的修正依据；并且通过理论与试验相结合的方法，选取几个典型的样品， 使用重庆大学恒瑞纳米技术中心自行研制的a f m i p c 一2 0 8 b 原子力显微镜进行大 范围的形貌观测和小范围的原子、分子精细结构的测试，以检验所作的工作是否 能够提供一些有意义的东西，亦试图对该仪器今后的改进和设计提供一定的建议 和参考。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 2 本文研究的主要内容 本文的主要内容为： 根据实验方案进行多次实验，相应的硬件和软件方面也要作一定的改动以 适应采集各种数据； 分别对a f m i p c 2 0 8 b 正常工作状态下，非正常工作状态下，恒流值v s e t 加以分析，着重对维持探针与样品间距的压电瓷端压z 值以及成图的p 值的时序信 号予以测量； 对测量得到的各时序信号采用自相关运算、功率谱密度估计等方法加以分 析； 对所得出的结果加以特征提取，找出不同状态下的各组数据内含的规律； 尝试提出对该仪器在对扫描所获得的原始数据进行图像后处理时该如何修正，以 及修正的依据； 针对本实验所使用仪器a f m i p c 一2 0 8 b 原子力显微镜，根据压电陶瓷影响， 建立物理数学模型，由具体的压电陶瓷参数估算出不同扫描范围所引起的误差， 对结果进行校正。 利用上述得到的相关经验和知识，选择几个典型的样品进行测试用以检验 前面所作的工作。 7 重庆大学硕士学位论文 鼍 2 原子力显微术基础理论和方法 2 原子力显微术基础理论和方法 微悬臂是原子力显微镜的关键组成部分，其顶端有一个尖锐针尖，用以检测 样品一针尖间的相互作用力。对于般的形貌成像，微悬臂顶端的针尖连续( 接 触模式) 或间断( 轻敲模式) 与样品接触，通过压电陶瓷三维扫描控制器驱动针 尖或样品进行相对扫描。作用在样品与针尖间的各种各样的力会使得微悬臂发生 变形，这些形变可以通过光学或电学的方法检测得到，从而测量样品表面的起伏 高度。将样品的局域起伏高度对应针尖的水平位置绘图，既可得到样品表面的三 维形貌图像。利用轻敲模式技术，测量振荡微悬臂的振幅和相位变化，亦可以对 样品表面进行成像。因此a f m 是通过控制并检测针尖一样品问的相互作用力，来 高分辨率地成像材料表面形貌，同时还可以分析研究表面性质。 2 1a f m 成像的基本原理 a f m 的成像类似于形貌拓扑仪，与众不同的是其原理是基于原子与原子之间 的相互作用力。如图2 1 ，将一个对力极其敏感的弹性微悬臂一端固定，? 当另一端 结合的探针针尖在z 向逼近样品表面时，探针针尖的原子与样品原子之间将产生 一定的作用力，即原子力，其大小约在1 0 叫2 l o 一9 n 之间。在扫描肘控制原子力 恒定，使带有针尖的微悬臂对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂 直于样品的表面方向起伏运动。然后通过测得微悬臂对应于扫描各点位置变化的 形变，从而测量样品表面的起伏高度。将样品的局域起伏高度对应针尖的水平位 置绘图，便可得到样品表面的三维形貌图像。 实际上，扫描探针显微镜所获得的物质表面形貌图是探针与样品之间膨胀的 结果 】。为了减小测量误差，应减小探针的曲率半径和增大探针的纵横比。 图2 1a f m 成像原理 f i 9 2 1i m a g m gp r i n c i p l eo f a f m 8 重庆大学硕士学位论文 2 原子力显微术基础理论和方法 2 2a f m 的成像模式 a f m 的成像模式主要有接触模式、非接触模式、轻敲模式。这些成像模式在 不同的针尖一样品距离下工作【1 4 1 。 2 2 1 接触模式( c o n t a c tm o d e ) 接触模式也叫斥力模式，它是a f m 的常规操作模式。由于是接触式。探针 的尖端悬在低弹性系数的微悬臂末端，悬臂的有效弹性系数比样品原子还低，当 探针扫描样品表面时，原予的距离缩小，会彼此产生微弱的吸引力，这些吸弓l 力 会不断增加，直到太靠近时它们的电子云产生静电排斥。原子间的作用力达到平 衡约一个化学键的长度( 几埃) 。当针尖与样品间的间距小于o 0 3 n m 时，原子问力 为排斥力，此时认为两者基本上是紧密接触的，这种模式叫做接触模式，如图2 2 所示。 非接慧文原子力蔓微镜接触式原予力显微镜 图2 2 非接触模式a f m 与接触模式a f m f i 9 2 2c o n t a c t a f m n o n - c o n t a c tm o d e 所有可能使两个原子接近的力。微悬臂将弯曲而不可能使针尖原子与样品表面 原子靠的更进。运用这种模式可以测量的原子间近程相互斥力是互相接触的原予 的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为1 0 1 l o 1 1 n 。 通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图象，目前已经利用 这种模式获得了石墨、碳6 0 、超导材料等材料的稳定的、具有原子量级高横向分 辨率的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易 移动和变形的样品。例如当a f m 在接触模式下测量具有生物活性的d n a 大分子 时，针尖与d n a 大分子之间的相互作用力往往会切断d n a 大分子，而且由于它 们之间纵向作用力和摩擦力对d n a 大分子的压迫，测到的图像往往在横向上出现 展宽效应，所测得的图像不能真实地反映d n a 大分子的原貌。另外在大气环境中， 9 重庆大学硕士学位论文 2 原子力显微术基础理论和方法 大多数样品表面都吸附有一覆盖层( 凝聚水蒸气或其它有机污染物) ，一般有几纳米 厚。当扫描探针接触这个吸附层时，由于毛细作用的存在，针尖和样品之间有较 大的粘附力，横向扫描时施加在样品上的额外作用力可能会造成样品表面的损伤， 而且这种粘附力的存在会增大针尖与样品的接触面积，降低成像的分辨率。 2 2 2 非接触模式( n o n c o n t a c tm o d e ) 在非接触模式中，原子力显微镜的微悬臂，是以振动的方式测量，当探针尖 端靠近样品表时侦测其共振频率或振动振幅的变化。针尖始终保持在样品上方5 2 0 n m 的高度上以通常小于1 0n n l 振幅始终在样品表面吸附的液质薄层上方振动， 这个距离对应于图2 2 中的非接触区域，此时针尖与样品之间的原子间的相互作用 力为引力。探针尖端与样品之间的总力非常小，所以常用于样品的材质较软或弹 性较佳的材质且因其是非接触式所以可以测量。与轻敲模式和接触模式相比，非 接触模式横向分辨率较低，这是由针尖与样品之间分离所限。非接触式a f m 所用 悬臂比接触式a f m 要硬。小的作用力和大的悬臂硬度使得非接触式a f m 信号很 小，难以测量。针尖一样品问总的作用力很小，一般约为1 0 - 1 2 n ，这样小的作用 力有利于研究软质或弹性材料，而且样品在与探针尖相互作用的过程中不会被污 染。但是，非接触模式不适于在液体中成像。 2 2 3 轻敲模式( t a p p i n gm o d e ) 轻敲模式是新发展起来的成像技术，它介于接触模式和非接触模式之间。其 特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的，并具有比非接触模式更大的振幅( 大于 2 0 h m ) ，针尖在振荡时| 日j 断地与样品接触，如图2 3 所示。 由于针尖同样品接触，分辨率几乎同接触模式一样好；同时由于接触时间非 常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失，克服了常规扫描模式的 局限。 p 崛幅 。曼了惘刚帐幅 亡! 竺刍 1 0 重庆丈学硕士学位论文 2 原子力显微术基础理论和方法 轻敲模式在大气中成像，是利用压电晶体在微悬臂机械共振频率附近驱动微 悬臂振荡。当针尖不与表面接触时，微悬臂是高振幅“自由”振荡的。当振荡的针尖 向表面移动直到轻轻接触表面时，由于微悬臂没有足够的空间去振荡，其振幅将 减小：之后，针尖反向向上振荡，微悬臂有了更多的空间，并且振荡的振幅增大( 接 近空气中自由振荡的幅度) ，反馈系统根据检测器检测到的这个振幅，不断调整针 尖与样品之间的距离来控制微悬臂振幅，亦即作用在样品上的力恒定，从而得到 样品的表面形貌。 轻敲模式中针尖与样品之间的作用力通常为1 0 。9 1 0 。1 2 n 。它可以对柔软、易 碎和粘附性较强的样品成像，而对它们不产生破坏。 轻敲模式在一定程度上解决了针尖易粘附到样品上的问题，并减小了扫描过 程中针尖对样品的损坏。不同于接触、非接触模式，轻敲模式的针尖在接触表面 时，有足够振幅来克服针尖与样品间的粘附力。同时，由于作用力是垂直的，表 面材料受横向摩擦力、压缩力和剪切力的影响较小。轻敲模式同非接触模式相比 较的另一优点是有较大的线性操作范围，使得垂直反馈系统高度稳定，可对样品 进行重复测量。 要获得高分辨率、高质量的图像，关键因素是针尖同样品表面轻微接触然而 又不破坏被扫描表面。在a f m 对软、粘性或脆性样品研究中，轻敲模式成像技术 发展是至关重要的。对那些易损伤而且与基底粘合松散或者用其它a f m 技术成像 困难的样品，用轻敲模式可以进行高分辨率表面分析。更值得一提的是，轻敲模 式克服了摩擦、粘附、静电力有关的问题，解决了困扰常规a f m 扫描方式的困难。 利用轻敲模式己经获得相当多样品的高分辨率图像，包括：硅片表面、薄膜、金属 和绝缘体、感光树脂、高聚物和生物样品等。轻敲模式对这些样品表面结构在大 气或液体中的研究，极大地扩展了a f m 技术在新材料表面的应用领域。 轻敲模式除了实现小作用力的成像以外，另一个重要的应用就是相位成像技 术( p h a s ei m a g i n g ) 。通过测定扫描过程中微悬臂的振荡相位和压电陶瓷驱动信号的 振荡相位之间的差值来研究材料的力学性质和样品表面的不同性质。相位成像技 术可以用来研究样品的表面摩擦、材料的黏弹性和粘附性质等。也可以对表面的 不同组分进行化学识别，与横向力显微镜得到的信息相近。但是，同横向力显微 镜相比，轻敲模式可以适用于柔软、粘附性强或与基底粘合松散的样品，适应性 更强。 轻敲模式一般采用调制振幅恒定的方法进行恒力模式的扫描，另外也可以采 用频率调制技术测量扫描过程中频率的变化。这种频率调制a f m 的检测方式大大 提高了噪音处理率以及灵敏度。 重庆大学硕七学位论文 2 原子力显微术基础理论和方法 2 3 微悬臂形变检测 a f m 是通过检测微悬臂形变的大小来获得样品表面图像的，所以，微悬臂形 变检测至关重要。微悬臂的形变量十分微小，无法用常规手段检测。到目前为止， 检测微悬臂形变的方式主要有隧道电流检测法、光束偏转检测法、电容检测法d 4 和压敏电阻检测澍1 5 1 等，目前比较常用的是隧道电流法和光偏转法。 2 3 1 隧道电流检测法 隧道电流检测法是b i n n i n g 等最初使用的方法【1 6 】，其原理基于量子力学中的量 子隧道效应。 隧道效应原理 s t m 的基本工作原理就是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探 针和被研究物质的表面作为两个电极，s t m 工作时，在样品和针尖问加一定电压， 当样品与针尖的距离非常接近时( 通常小于i n t o ) ，由于量子隧道效应，样品与针尖 间产生隧道电流。在低温低压下，隧道电流i 可近似地表达为 i e x p ( - 2 k d ) ( 2 1 ) 上式中，表示隧道电流，d 表示样品与针尖间的距离。在真空隧道条件下，k 与 有效局部功函数m 有关，可近似表示为 k ：、2 m t d ( 2 2 ) 壳 上式中，m 为电子质量，m 为有效局部功函数，壳为普朗克常数。 需要指出，表达式( 2 2 ) 是非常近似的。s t m 工作时，针尖与样品问的距离一 般为o 4 n m 此时隧道电流，可更准确表达为： f = 簪著，( 巳) 1 一厂( e 托) p ，1 2 a ( e ，一e v ) ( 2 3 ) 上式中，m 。，表示隧道矩阵元，厂( 见) 为费米函数，v 为跨越能垒的电压，e u 表 示状态t 的能量，a 、v 表示针尖和样品表面的所有状态。肼。，可表示为 膨，2 丢p ( w ：v w v 一甲：v 吒) ( 2 4 ) 上式中，甲为波函数。 由此可见，隧道电流，并非表面起伏的简单函数，它表征样品和针尖电子波函 数的重迭程度。可将隧道电流，与针尖和样品之间距离d 以及平均功函数p 之间的 关系表示为： io c e x p ( 一爿妒d ) ( 2 5 ) 其中矿6 为针尖与样品之间所加的偏压，妒为针尖与样品的平均功函数，4 为 常数，在真空条件下a 近似为l 。根据量子力学的有关理论，由式( 2 5 ) 也可算出： 1 2 重庆大学硕士学位论文2 原子力显微术基础理论和方法 当距离d 减小0 1 n m 时，隧道电流，将增加一个数量级，即隧道电流，对样品的 微观表面起伏特别敏感。 微悬臂形变的s t m 检测法 如图2 4 ，在微悬臂背面