AFM开放式控制平台搭建与成像改进研究

摘要

纳米科技已经成为二十一世纪最重要的技术之一,而纳米科技的发展,很大程度上依赖于纳米观测和纳米操作的工具与手段。原子力显微镜(AFM)作为纳米科技的“眼”和“手”,对于如何提高其扫描速度和成像精度就逐步发展成为国内外学者研究的热点。本文就高速原子力显微镜的前期实验平台的搭建、成像精度的改善等问题,进行了深入分析和应用研究。本文主要内容与成果概括如下： 从原子力显微镜的历史和研究现状出发,对当前研究发展的主要问题和相关技术进行了调研和分析。 针对通常的原子力显微镜系统控制器不对外开放,而造成改进后的控制算法无法进行实验的问题,本文在本原CSPM4000原子力显微镜的基础上,搭建了一个基于RTLinux的开放式实验系统,实现了反馈信号和控制信号的自由获取。重点解决了AD采集卡驱动不支持RTLinux系统的问题,并编写了上层控制系统软件。这个实验系统实现了控制周期为50μs的实时控制,这为测试以后设计的各种高级控制算法提供了实验条件。 通过分析原子力显微镜各部分信号对成像性能的影响,本文提出了一种基于压电扫描管动态特性的改进动态成像方法,以减少原子力显微镜在高速扫描时,因压电扫描管动态特性影响而造成的成像误差。利用开放式实时控制系统对这种改进的成像方法进行了测试,实验结果表明改进后的成像方法与通常的静态成像相比较,明显地提高了成像精度。 为了扩展原子力显微镜在纳米操作中的进一步应用,本文还对扫描合成的样品形貌图像使用小波变换进行了特征提取等研究,主要实现了对图像的去噪以及样品原子坐标的提取。

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文摘

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论文说明：图表目录

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第一章绪论

第一节原子力显微镜研究现状及发展趋势

1.1.1 研究现状

1.1.2 发展趋势

第二节高速原子力显微镜精确成像的主要问题

1.2.1 主要问题

1.2.2 重点内容说明

第三节论文主要内容与结构

第二章于RTLinux的开放式实时控制系统的搭建

第一节原子力显微镜系统介绍

2.1.1 原子力显微镜系统基本结构

2.1.2 原子力显微镜的工作原理

第二节搭建实时控制平台的必要性

第三节硬件组成部分

2.3.1 本原CSPM4000的接口

2.3.2 运算放大器

2.3.3 AD、DA数据转换卡

第四节软件组成部分

2.4.1 A/D、D/A的底层驱动

2.4.2 RTLinux系统简介

2.4.3 控制系统软件

第三章原子力显微镜的动态成像方法研究

第一节成像方法现状介绍

第二节基于压电扫描管动态特性的AFM成像方法分析

3.2.1 AFM成像系统中的信号分析

3.2.2 根据压电扫描管动态特性计算出形貌信息

第三节动态成像方法的应用

3.3.1 AFM动态模型的辨识

3.3.2 实验结果分析

第四章基于小波变换的AFM图像处理

第一节常见图像处理方法及其存在的问题

4.1.1 基本图像处理方法

4.1.2 图像处理中要解决的问题

第二节小波变换

4.2.1 小波分析原理和实现

4.2.2 小波变换在AFM上的应用

第三节AFM图像的去噪及特征提取

4.3.1 图像去噪原理

4.3.2 AFM图像的特征提取

第五章总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、学术论文与研究成果