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原子力显微术及其图像增强研究

何光宏  
【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


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