原子力显微镜分析
原子力显微镜图像处理与分析算法研究
原子力显微镜图像处理与分析算法研究随着科学技术的不断发展，原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)成为了一种非常强大的研究材料表面结构和性质的工具。
AFM技术通过对样品表面进行扫描，能够获得高分辨率的几何信息和力学信息，无论是在硬度、导电性或者压电性等方面，都拥有独特的分析优势。
但是，要想得到准确的表面结构和性质信息，则需要对获得的图像进行处理和分析。
本文将主要关注于AFM图像处理以及相关的分析算法研究。
一、AFM图像处理AFM图像处理是将原子力显微镜采集到的表面形貌图像进行处理与分析，从而提取出材料的表面结构和性质信息。
AFM图像的处理流程一般包括四个主要步骤，即预处理、去噪、平滑和分割。
1. 预处理在AFM采集过程中，常常会发生AFM扫描导致扫描头的离开和其他外在因素的干扰，这些因素都会对图像质量造成影响。
因此，预处理是AFM图像处理的第一步，常常包括图像的对齐、亮度和对比度调整等，以提升图像质量的清晰度和准确性。
2. 去噪AFM图像由于各种噪声和干扰因素，可能会出现“块状效应”、“针状效应”和“条纹效应”等问题，因此需要对图像进行去噪处理。
常用的去噪方法包括中值滤波、高斯滤波和小波变换等。
3. 平滑AFM图像中，原始数据的离散化会在表面形貌和拓扑分析中造成噪声，因此需要将数据进行平滑处理。
常用的平滑方法包括均值平滑、加权平均平滑和高斯平滑等。
4. 分割AFM图像的分割是将整个图像中不同区域的信息分开，以便进一步研究和分析。
常用的分割方法包括阈值分割、边界区域生长法(Boundary Region Growing，BRG)和水平分割等。
二、AFM图像分析算法AFM图像处理的最终目的是提取表面形貌和力学等信息，因此常用的AFM图像分析算法主要是用于分析材料的表面形貌、粗糙度和机械性质等多个方面。
下面介绍一些常用的AFM图像分析算法。
1. 表面形貌分析表面形貌分析是指对AFM图像采集到的样品表面几何形貌的分析和描述。
原子力显微镜在表面分析中的应用研究
原子力显微镜在表面分析中的应用研究随着现代科学技术的不断进步，原子力显微镜逐渐渗透到了表面科学领域，并在表面分析中发挥了重要作用。
本文将重点介绍原子力显微镜在表面分析中的应用研究。
一、什么是原子力显微镜原子力显微镜(AFM)是一种新型的表面形貌分析工具，它是基于扫描探针显微技术发展而来的。
该技术最早由IBM公司的Binnig和Rohrer发明，可以用来描述具有亚纳米级别的表面特征的形态、机理和性质。
AFM通过在扫描探针和样品表面之间建立探针受力的反馈回路，对样品表面进行原子级别的显微测量，并利用反馈信号计算出样品表面的形貌特征。
AFM既可以在空气中进行，在水中和在真空中扫描，扫描范围从纳米到亚米级别，可测量样品表面的三维形貌、力学、磁学、电学性质等。
二、原子力显微镜在表面形貌分析中的应用研究1. 微观形貌检测表面形貌是物质和材料的一个重要性质，也是反映物质/材料生命活动的重要标志。
原子力显微镜可以获取样品表面微观形貌的高分辨率图像，将样品表面精确还原。
目前原子力显微镜广泛应用于材料学、物理学、化学、生物学等领域中的表面形貌测量和表面形貌分析，能够实现以下的测量和分析：(1) 镜面平滑性、晶体表面微观形貌和粗糙度的测量和分析；(2) 三维形状的表面拓扑特征分析；(3) 片上集成电路、磁性材料、生物材料等在表面形貌分析中的应用等。
2. 磁力显微镜研究除了能够提供高分辨率的形貌和图像外，AFM还可用于磁力学研究。
例如，在介观尺度的磁性材料中，微观的磁性形貌显得尤为重要，而磁性显微镜技术尤其难以解决这个问题。
AFM则通过利用扫描探针在表面磁场作用下的位移来探测材料磁性的分布，并实现了对表面磁性形貌和磁性学特性的拓扑测量和检测。
3. 温度和压力控制研究由于原子力显微镜技术具有高灵敏度和高分辨率，因此可以通过改变样品和探针之间的作用力强度和形式、控制温度、压力等条件来研究样品表面的多种性质和特征。
例如，通过在探针顶端镀上生物分子等的分子探针来研究生物分子在表面的行为，并探讨了分子的生物功能、依存性等问题。
药物分析中的原子力显微镜技术研究
药物分析中的原子力显微镜技术研究随着现代科技的不断发展，人类对于药物的研究也变得越来越深入。
药物分析是药物研究的重要环节之一，而原子力显微镜技术在药物分析中的应用日益广泛。
本文将介绍原子力显微镜技术的基本原理、在药物分析中的重要性以及其在药物研究领域的前景。
一、原子力显微镜技术的基本原理原子力显微镜技术，简称AFM（Atomic Force Microscopy），是一种通过探测器和样品之间的相互作用力来进行成像的高分辨率显微技术。
相比于传统的光学显微镜，AFM可以实现纳米级甚至原子级的分辨率，能够对样品表面进行原子尺度的观测和力学性质的测量。
在原子力显微镜技术中，利用微小晶体针尖与样品表面之间的相互作用力进行成像和测量。
当针尖接触到样品表面时，由于相互作用力的影响，针尖的位置会发生微小的变化，这种变化被称为“探针几何变形”。
通过检测探针的位移，可以获得样品表面的拓扑信息。
二、药物分析中原子力显微镜技术的重要性1. 成像分辨率高：原子力显微镜技术可以实现纳米级别的成像分辨率，能够揭示药物样品表面的微观结构和形貌等信息。
这对于药物的表征和分析具有重要意义，可以帮助研究人员更好地了解药物的形态结构，从而指导药物设计和优化。
2. 表面性质研究：原子力显微镜技术还可以用于研究药物样品表面的力学和电学性质。
通过测量样品表面的硬度、弹性等力学性质，可以评估药物的质量和稳定性。
同时，对于一些电子药物或具有特殊电学性质的药物，原子力显微镜技术还可以提供相关的表面电学性质。
3. 相互作用力的测量：在药物分析中，相互作用力的测量是非常重要的。
原子力显微镜技术可以实时监测样品表面与探针之间的相互作用力，包括静电力、范德华力、化学键力等。
通过对相互作用力的研究，可以深入了解药物分子之间的相互作用机理，为药物研发和设计提供有力的支持。
三、原子力显微镜技术在药物研究领域的前景1. 药物晶体结构研究：药物晶体结构对于药物的稳定性和溶解性等性质具有重要影响。
原子力显微镜图像处理与分析算法研究
原子力显微镜图像处理与分析算法研究一、研究背景原子力显微镜是一种基于扫描探针的高分辨率成像技术，其分辨率可以达到亚埃级别。
由于原子力显微镜分辨率高、能够直观地观察物体表面的三维形貌、表面缺陷、表面化学成分等特点，被广泛应用于材料科学、纳米技术、化学、生物医学等领域。
然而，由于原子力显微镜图像的高噪声、扰动、干扰等问题，如何利用计算机算法有效地处理和分析原子力显微镜的图像数据，成为当今原子力显微镜研究的热门问题之一。
二、图像处理和分析算法1. 图像预处理原子力显微镜图像预处理是指在分析之前对图像进行处理，以改善其质量、降低噪声、增强质量等。
常用的处理技术包括图像平滑化、背景去除、噪声滤波等。
其中，背景去除是为了消除实验环境和设备背景对成像的影响，常用的方法包括多项式拟合、FFT低通滤波等。
2. 特征提取原子力显微镜图像的特征包括表面拓扑、高度信息、粒度分布等，因此需要对图像进行特征提取，以便于后续分析处理。
常用的方法包括阈值分割、边缘检测、形态学操作等。
3. 数学分析数学分析是对图像特征的定量化描述，主要包括图像峰值、曲率、斜率等。
通过数值计算和统计分析，可以得到原子力显微镜图像的物理信息，比如表面形貌、晶界分布、结晶轴方向等。
4. 图像匹配对原子力显微镜图像进行匹配，可以明确物体形貌和尺寸的变化。
常用的图像匹配技术包括缩放不变特征、基于局部描述的匹配方法等。
三、图像处理和分析算法应用1. 材料科学原子力显微镜图像处理和分析算法在材料科学中广泛应用，主要涉及到材料表面结构分析、材料强度测试和表面机械性能等。
例如，基于软件的原子力显微镜图像处理算法可以有效地提取材料表面到层间距离、材料表面和颗粒尺寸等信息。
2. 纳米技术原子力显微镜图像处理和分析算法在纳米技术中也有广泛应用，比如纳米颗粒计量、纳米材料表面形貌分析、磁性颗粒的测量等。
基于纳米颗粒和材料的原生特征，可以对纳米材料进行非侵入式分析、评估和控制。
原子力显微镜图像处理与分析技术研究
原子力显微镜图像处理与分析技术研究随着科技的不断发展，原子力显微镜成为了一种广泛应用的纳米表面分析技术，其在十几年的时间里已经成为材料科学、生物学、化学和物理学等领域研究的重要工具。
在原子力显微镜成像时，需要对图像进行处理以分析表面的结构、拓扑和化学成分。
因为原子力显微镜获得的图像是一种非常精细而嘈杂的图像，需要使用各种技术来对其进行处理、重构和分析。
本文将介绍一些常见的原子力显微镜图像处理和分析技术。
图像去噪与平滑处理技术在原子力显微镜成像中，噪声是不可避免的一种干扰。
在数据采集过程中，噪声来源包括仪器噪音、实验环境、非均匀摩擦和杂质等。
因此，在成像完成后，需要进行图像去噪与平滑处理来消除这些干扰。
最常见的去噪与平滑处理包括中值滤波器、均值滤波器、高斯滤波器和小波变换等。
其中，中值滤波器和均值滤波器是最常见的图像平滑方法，它们可以消除图像中的噪声点，减少细节的损失。
高斯滤波器是一种平滑方法，它可以反映在空间域中的分辨率变化。
小波变换则是基于多分辨率分析理论，可以实现图像的有效噪声去除和细节保留。
基于图像学习的方法随着深度学习的发展，基于图像学习的方法也逐渐应用于原子力显微镜图像处理中。
通过建立卷积神经网络模型，可以对原子力显微镜图像进行特征学习和建模，从而实现对图像中缺陷、结构和纹理等特征的准确提取和分析。
这种方法已成功应用于多种材料和纳米结构的表面分析中。
局部密度功能理论分析密度泛函理论(DFT)是材料科学研究中广泛应用的电子结构计算方法，可以在原子尺度上分析物质的电子布局和能量等电子结构信息。
在原子力显微镜图像处理中，局部密度功能理论(LDFT)分析方法则是一种常用的方法。
LDFT的基本思想是将扫描隧道光镜中获得的光信号与原子尺度下的电荷分布关联起来，将表征物理和化学特性的局部密度函数和空间电子构型提取出来。
LDFT分析方法可用于分析各种表面性质，包括贴附和涂层、杂质、电化学反应和分子吸附等现象。
原子力显微镜法
原子力显微镜法原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，简称AFM）是一种高分辨率的表面形貌和力学特性测量技术。
它通过在探针和样品表面之间施加微小的力量，利用谐振频率变化的检测原理获得样品表面的拓扑信息，从而实现纳米尺度的观测和测量。
本文将介绍 AFM 的基本原理、操作流程及其在纳米科学与纳米技术领域的应用。
一、基本原理原子力显微镜是基于探针与样品表面之间相互作用力的测量原理工作的。
探针端通过弹性变形受到样品表面的力作用，且力与距离成反比。
AFM以原子尺度的分辨率测量表面形貌，使用悬臂梁弹簧探针，通过测量力传感器的弯曲程度得到样品表面的高低起伏。
由于探针尖端可以被加工成非常尖锐的形状，所以可以实现纳米级别的表面成像。
二、操作流程1. 样品准备：将待测样品表面进行清洗和处理，确保表面干净平整。
2. 探针安装：选择合适的探针并安装在原子力显微镜仪器上。
3. 探针校准：使用标定样品或试样进行探针的校准调整，以确保测量结果的准确性。
4. 调整参数：根据样品的特性和需要测量的参数，进行原子力显微镜的工作参数设置。
5. 表面成像：将样品放置在仪器台面上，通过控制探针的移动和扫描模式，实现对样品表面的成像。
6. 数据分析：对得到的图像进行处理和分析，提取所需的拓扑和力学信息。
三、应用领域原子力显微镜法在纳米科学与纳米技术领域有着广泛的应用。
1. 表面形貌分析：原子力显微镜可以实现对材料表面的纳米级别形貌观测，如纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等的形貌表征。
2. 纳米力学性质研究：通过在原子力显微镜中加入力曲线扫描模式，可以测量材料的力学性质，如硬度、弹性模量等。
3. 表面化学成分分析：结合原子力显微镜与其他表征手段，如扫描电子显微镜、能谱分析等，可以实现对样品表面化学成分的分析。
4. 生物医学应用：原子力显微镜可实现对生物分子及细胞的高分辨率成像和测量，对生物医学研究具有重要意义。
5. 纳米加工与纳米制造：利用原子力显微镜的扫描控制功能，可以进行纳米级别的构筑、雕刻和操控，用于纳米加工技术和纳米器件制造。
原子力显微镜(AFM)—上海交大分析测试中心
3.2 磁力（MFM）显微镜
1982年
扫描隧道 显微镜
人类第一次能够实时 地观察单个原子在物质表 面的排列状态和与表面电 子行为有关的物理、化学 性质，在表面科学、材料 科学、生命科学等领域的 研究中有着重大的意义和 广阔的应用前景，被国际 科学界公认为八十年代世 界十大科技成就之一。
1.1扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜 （STM）
2.2 力-距离曲线
三.扫描力显微镜的分类
3.1 原子力显微镜 3.1.1 斥力模式AFM 3.1.2 摩擦力显微镜 3.1.3 化学力显微镜 3.1.4 检测材料不同组分的技术 a. 相位成像技术 b .力调制技术 3.1.5 检测材料纳米硬度的技术
3.2 磁力显微镜 3.3静电力显微镜
3.1 原子力显微镜ຫໍສະໝຸດ 3.1.1 斥力模式AFM 探针与样品之间进行原子间接触，利用它们
之间的斥力得到样品表面的形貌。 具有两种工作模式：
3.1.1.1 接触模式 3.1.1.2 敲击模式（间歇接触）
3.1.1.1 接触模式(Contact Mode)
接触模式 非接触模式
轻敲模式
接触模式探针
接触模式探针示意图
接触模式工作示意图
Dendrimer-like Gold Nanoparticle[3]
DNA Translocation in Inorganic Nanotubes[4]
第七章 原子力显微镜分析
①恒力模式：在恒力模式中，反馈系统控制压电陶瓷管，保 持探针同样品作用力不变；恒力模式不但可以用来测量表 面起伏比较大的样品，也可以在原子水平上观测样品。 ②恒高模式：在恒高模式下，保持探针同样品的距离不变。 恒高模式一般只用来观测比较平坦的样品表面。
2.AFM的非接触模式
在这种工作模式下，AFM微悬臂工作在距离样品较远的 地方，一般为，在这样远的距离上二者没有电子云重叠发生， 此时主要是VDW在起作用。由于VDW及VDW的梯度均较小，所 以要采用谐振的办法来检测，即将微悬臂安装在一个压电陶 瓷片上使微悬臂在其谐振频率上振动，当微悬臂上的针尖在 样品表面上作相对扫描时，VDW发生改变，VDW的改变使微悬 臂的运动发生变化，产生“相移”或振幅改变，测得这个 “相移”或振幅改变即可获得VDW梯度，积分后可得VDW。 VDW随着微悬臂上针尖和样品之间的相对运动而变化，将这 种VDW的变化转换为形貌即得样品表面的超微结构或原子分 布图象。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
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三.AFM 操作模式
1.接触式 (contact mode)
2.非接触式 (non-contact mode)（亦即 VDW 模式）
3.轻敲式 (tapping mode or intermittent contact mode)
4.相移模式
1.接触模式
将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，另一端有一 微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子 与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8～10-6N），由 于样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬 臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器 上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信 号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是
2.光学偏转法检测的原子力显微镜的原理
半导体激光器所发激光经准直聚焦后 照到微悬臂的背 面，微悬臂的背面镀有金膜，相当于一面反射镜，经微悬 臂反射的激光束照到一个二象限光电探测器上。样品固定 在压电陶瓷管上，并一起随压电陶瓷管在扫描电路控制下 沿X，Y方向扫描，并且在Z方向可以伸缩。如果微悬臂探针 同样品间的相互作用使微悬臂在Z方向产生位移，那么反射 束将在二象限光电探测器上移动。在二象限光电探测器中 两个光电管的交界处，光斑的移动同二象限信号的差值有 良好的线性关系，取二象限信号差值作为表面形貌信息。
（二）光学偏转法检测的原子力显微镜
1.结构原理图：
右图为激光 偏转检测法示意 图，其结构组成 分为三个部分： 力检测部分、 位置检测部分、 反馈系统。
微悬臂通常由一 个一般100～500μm 长和大约500nm～ 5μm厚的硅片或氮化 硅片制成。
1.1 力检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原 子与原子之间的斥力或范德华力。所以在本系统中是使用微 小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂 通常由一个一般 100～500μm 长和大约 500nm～5μm 厚的 硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检 测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格， 例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格 的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不 同类型的探针。
右图是一典型的 AFM悬臂和针尖
1.2 位置检测部分
在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间 有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当 激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬 臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统 中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电 的信号，以供SPM控制器作信号处理。
3.当距样品较远时（0.2nm—10nm），主要是范德瓦尔斯力 （Van Der Waals Force，简称VDW）起作用；
4.距离较近时主要是排斥力起作用。排斥力的大小取决于针 尖与样品表面的原子的接近程度。Leabharlann 原子间范德瓦尔斯力和距离的关系
三. AFM 的结构及工作原理
在AFM工作时，探针尖端的原子同样品表面的原子将 产生相互作用，该相互作用使微悬臂发生形变或使其运 动发生变化，这一变化可使用电学或光学的办法探测出 来，变化的大小反映相互作用的大小。
原子力显微镜是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固 定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的表面轻轻接触， 由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的作用力 （斥力10-8～10-6N或范德瓦尔斯力），通过扫描时控制这种力 的恒定，带有针尖的微悬臂将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。利用 光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描 各点的位置变化，从而可以获得样品的表面形貌信息。
二. 特点：
1.AFM（Atomic Force Microscope）是以STM为基础，和 STM为类似技术的扫描探针显微镜，它是通过研究样品表 面与针尖原子间的作用力同距离的关系而获得样品表面 形貌信息的显微术。
2.它不象STM使用金属探针，而是使用一个尖端附有探针的 极灵敏的弹簧臂来作力敏元件，称之为微悬臂。当微悬 臂接近样品表面时，探针和样品表面原子力将产生相互 作用。
右图是激光位置检测器的示意图。 聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位 置检测器，通过对落在检测器四个象限 的光强进行计算，可以得到由于表面形 貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到 样品表面的不同信息。
1.3 反馈系统
在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光 检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号， 作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫 描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
电子探针分析之二
第七章
原子力显微镜
一.引言
由于扫描隧道显微镜只能观察导体和半导体的表面结构， 对于非导电材料必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显 微镜的这一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一 台原子力显微镜（AFM）。
2.原子力显微镜的工作原理
❖ 当微悬臂上的探针在样品表面X和Y方向作相对扫描时， 因为样品表面是凹凸不平的，探针与样品表面的原子间的相 互作用力也随之发生变化，导致探针和微悬臂一起上下起伏， 微悬臂的起伏与样品表面原子力等位面相对应，亦即和样品 表面的形貌相对应。对于恒高模式，在微悬臂上下起伏的过 程中，隧道电流针尖与微悬臂之间的隧道电流随之变化，检 测此隧道电流即获得样品表面的形貌信息。对于恒流模式， 在微悬臂上下起伏的过程中，隧道电流针尖随之也 上下起 伏，检测此隧道电流针尖在Z方向的移动，即获得样品表面 的形貌信息。将这些信息进行模数转换并送入计算机进行处 理，即可获得样品表面的超微结构图象或原子分布图。
（一）隧道电流法检测的原子力显微镜
图6-1为使用隧道电流检测的原子力显微镜结构原理 示意图。
1. 结构组成
主要由探头、扫描装置、计算机及显示终端等几部分 组成。 （1）探头：包括微悬臂、隧道电流探针、样品室、机械调 整装置和压电陶瓷管等。 （2）扫描装置：一般有两种扫描方式，一种为恒流模式； 另一种为恒高模式。 （3）计算机处理及显示终端。