原子力显微镜控制参数对光栅清晰度的影响

(长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022)

原子力显微镜控制参数对光栅清晰度的影响

王盼(长春理工大学电子信息工程学院，长春 130022)

原子力显微镜的发明是固体材料成像技术一次重大的飞跃，通过使用原子力显微镜对样品表面扫描成像，能够获得真实的三维图像[1]，在扫描图像时需要设置好每个参数，不同的参数对原子力显微镜的成像会产生不同的影响。主要探究了积分增益以及比例增益对原子力显微镜成像光栅清晰度的影响，以图像中心距(ACM)清晰度算法和点锐度清晰度(EAV)算法作为评价的标准。实验表明，积分增益和比例增益越大，系统噪声会不断增加，相应的图像会变得越不清晰，最终保持不变。

原子力显微镜 积分增益 比例增益

近年来，人们对世界的认识不断加深，已经由传统的宏观世界转移到并不熟悉的微观世界，许多国家已经开始对微观世界的事物进行深入的研究，原子力显微镜的发展为人们提供了有力的工具。原子力显微镜是近几十年来表面成像技术中最重要的进展之一，因其具有超高三维分辨，非接触无损成像，显微倍率连续可调等特点，被誉为是目前国际显微科学的重大突破和现代表面分析技术的革命性进展[2-4]。虽然 AFM 的最大分辨率可以达到原子级，但是传统的原子力显微镜操作非常的复杂，传统的原子力显微镜都是基于PI控制算法进行成像的[5]，在扫描时需要有经验的操作人员选择合适的积分增益以及比例增益[6]，才能得到比较清晰和完整的图像，任何一个因素没有设置好都会影响探针针尖和样品表面接触面积以及样品和针尖的作用力情况[7-10]，进而影响所得到的图像的质量，很有可能会因为反馈跟踪不充分或者系统产生噪声使图片产生阴影和模糊等影响[11-13]。本文主要是探究影响原子力显微镜成像的控制参数，找出每个控制参数对清晰度影响的一般规律，对今后进行扫描成像提供指导作用。

1 清晰度算法的原理分析

图像的清晰度是判断图像质量的一个重要标准，原子力显微镜扫描样品得到的图像清晰度越高，图像包含的信息更加丰富，对于分析样品的形貌、特性以及对样品的后续分析和处理具有深远的影响。传统的评价清晰度算法主要有：图像直方图法、能量方差法、平方梯度能量法、熵函数法、拉普拉斯能量法等，但是这些方法计算较为复杂不容易实现，而ACM和改进EVA算法计算较简单运行效率较高，适合对光栅的形貌图像进行分析。ACM算法主要是对图像整体的清晰度进行分析，具有良好的全局性和可靠性，通过分析图像各个点处的灰度值与亮度值的情况来判断图像的清晰度，计算公式如(1)式所示[14]：

(1)

其中，I(x,y)指图像中(x,y)点的灰度值，n指图像整体总的像素点数，i指图像的灰阶，p(i)指图像中灰阶为i时所出现的概率。改进EVA算法主要是对图像的边缘方向进行清晰度的分析，体现了图像中的局部特性，通过比较该方向的像素点的灰度与其8邻域像素点灰度变化得到图像清晰度的评价，计算公式如(2)式所示[15]：

(2)

为保证实验数据的真实可靠，实验使用控制变量法对各个参数进行研究，中选用本原CSPM5000原子力显微镜系统的接触模式对光栅样品在室温下进行扫描，所选用的光栅是用低功率从激光器配合光刻胶在硅片上制备的结构，由于SEM扫描是在真空下对样品进行扫描，因此环境对系统的影响非常小，所以本实验选择SEM扫描的光栅图像得到的周期作为评判标准，在SEM下测得其周期为296.9nm。电镜下测得的光栅图像如图1所示。

图1 SEM下的光栅图像(nm)

2 比例增益对光栅清晰度的影响

图2 比例增益为100积分增益为0时得到的光栅图像

原子力显微镜的光电检测单元会实时的采集探针-样品作用力，控制系统会计算探针-样品作用力与设置的参考点之间的误差，比例增益主要是控制对这个误差补偿的快慢程度，比例增益越大探针-样品作用力回到期望的参考点就会越快，则反馈越灵敏，但比例增益过大会使系统产生震荡，使得到的图像不能反映真实的形貌。只使用比例增益不能完全使反馈电路到达用户所设定的参考点上，只能会使系统的输出值围绕参考点的设定值在上下波动，同时产生的图像也会有很大的失真，如图2所示，其ACM与EAV值分别为19.537和4.8001*106，图像特别的模糊，看不到基本的光栅形貌。图3是在相同的条件下，即扫描范围为30000nm，扫描角度为0度，扫描频率为1.2Hz，参考点为0.2，积分增益分别为200，500和800得到的光栅形貌图像。从图3中可以明显的看出图的清晰程度不完全像相同，比例增益在200时，压电陶瓷在Z轴方向上产生更加有效的位移。比例增益在500和800时，由于系统产生震荡，噪声对图像的干扰得到加强，图像中基本看不到光栅的形貌。图4是对相同条件下分别设置不同的比例增益得到的光栅形貌图使用EAV算法与ACM算法得到图像清晰度与图3中的分析基本一致。从图4(a)和(b)中可以看出当比例增益在200～600时，随着比例增益的加强，系统的震荡增加，噪声对图像的清晰度影响更加明显，图中曲线的斜率在不断增加。对于EAV算法图像的清晰度在比例增益为200时达到最大，对于ACM算法图像的清晰度在300时达到最大，当比例增益在600～800时，比例增益的改变对清晰度的影响较小，EAV与ACM得到的清晰度基本保持不变。

图3 使用AFM在相同条件下不同比例增益光栅形貌图(比例增益分别为：(a)：200，(b)：500，(c)：800)

图4 不同比例增益对光栅清晰度影响(a):EVA算法; (b):ACM算法

3 积分增益对光栅清晰度的影响

原子力显微镜系统在运行时，探针-样品作用力与设置的参考点每时每刻产生误差，这个误差会不断的积累，最终会影响系统的实际值达到参考点，增加积分增益就是为了用于补偿累积的系统误差，即每隔一段时间系统需要知道探针-样品之间的作用于参考点之间的总误差量是增加的还是减少的，施加积分增益会每隔一段时间对系统的这个误差进行补偿，积分增益越大则反映越灵敏。同样，积分增益过大会增加原子力显微镜系统的噪声[16,17]，造成系统不稳定。图5是在扫描范围为30000nm，扫描角度为0度，扫描频率为1.2Hz，参考点为0.2，比例增益为200，积分增益分别为：200，500和800得到的光栅形貌图像。 图6是在相同条件下，改变不同的积分增益扫描同一样品所对应的清晰度。从图6中可以看出(a)和(b)变化的趋势基本一致，当积分增益在200～600时，随着积分增益的增加，噪声对系统的影响会越来越大，图像的清晰度越来越小，当积分增益由200变为300时对清晰度的影响最为显著。当积分增益由300变为600时，EAV算法得到的曲线斜率基本不变，即积分增益对清晰度的变化率基本没有影响，ACM算法得到的曲线斜率会先增加后减小，即在该算法下积分增益对清晰度的变化率的影响先增大后减小，当积分增益由600～800时，同比例增益一样，清晰度基本保持不变，参数的增加对图像基本上没有太大的影响。

图5 使用AFM在相同条件下不同积分增益得到的光栅图像。(从左至右积分增益分别为：(a)：200，(b)：500，(c)：800)

图6 积分增益对光栅清晰度的影响

3 总结

通过上述进行的一系列的实验可知，原子力显微镜对固体样品进行扫描时，随着比例增益的增加，对图像清晰度的影响越来越显著，增加到一定值后图像的清晰度保持不变，随着积分增益的增加，对图像清晰度的影响越来越弱，增加到一定值后图像清晰度基本保持不变。比例增益和积分增益设置为200，得出的样品形貌图像清晰度最高，此时所获得的形貌信息和细节信息最为丰富，成像的分辨率也是最高的，得到的图像数据也是最真实的，这样的图像才有助于更好的了解纳米材料的相关性质和作用。

[1]白春礼, 田芳, 罗克. 扫描力显微术[M]. 北京: 科学出版社, 2000：1-3.

[2]郭宁, 秦紫瑞. 原子力显微镜的发展与表面成像技术[J]. 理化检验-物理分册, 1998, 34(10): 13-16.

[3]陈注里, 李英姿, 钱建强, 等. 原子力显微镜几种成像模式简介[J]. 电子显微学报, 2013, 32(2): 178-184.

[4]张德添, 何昆, 张飒, 等. 原子力显微镜发展近况及其应用[J]. 现代仪器, 2002, (3): 6-9.

[5]夏文清. 基于数字PID的SPM控制系统[D]. 北京: 中国科学院电工研究所, 2005年.

[6]李家文, 陈宇航, 黄文浩. AFM扫描参数对表面粗糙度测量的影响分析[J]. 电子显微学报, 2007, 26(1): 32-35.

[7] XUE B , YAN Y D , HU Z J , et al. Study on effect of Scan Parameters on the Image Quality and Tip Wear in AFM Tapping Mode[J]. Scanning, 2014, 36(2): 263-269.

[8]金永中, 陈建, 孙亚丽. AFM模式下扫描图像质量的影响因素[J]. 四川理工学院学报(自然科学版), 2005, 18(4): 72-74.

[9]方勇纯, 张玉东, 贾宁. 适用于原子力显微镜先进扫描模式的学习系统控制[J]. 控制理论与应用, 2010, 27(5): 557-562.

[10]张玉东, 方勇纯, 余冠云, 等. 基于变比模型的AFM扫描器迟滞建模与控制[J]. 控制工程, 2010, 17(4): 426-435.

[11]鄢志丹. 基于AFM的纳米操作系统主控器及其反馈模块的开发[D]. 天津: 天津大学, 2007年.

[12] Ahmad A, Schuh A, Rangelow lvo W. Adaptive AFM scan speed control for high aspect ratio fast structure tracking[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85(10): 103706-1-103706-6.

[13]陈英飞. 新型数字式原子力显微镜的研制与应用研究[D]. 浙江: 浙江大学, 2005年.

[14]李峰, 陈志刚, 储金宇. 图像清晰度检测方法[J]. 计算机工程与设计, 2006, 27(9): 1545-1546.

[15]王鸿南, 钟文, 汪静, 等. 图像清晰度评价方法研究[J]. 中国图像图形学报, 2004, 9(7): 828-831.

[16] 王子仪, 张荣君, 郑玉祥等. AFM扫描参数对样品粗糙度测量的影响[J]. 实验室研究与探索, 2013, 32(2): 5-7.

[17] 李洁爱, 徐凌云. 参数设定对原子力显微镜的影响[J]. 分析仪器, 2013, (2): 35-40.

2017-06-12

王盼，男，1993出生，硕士研究生，E-mail：17051336146@163.com。

信息简讯

中科院苏州医工所研发生物分子界面分析仪

该所日前宣布研制出拥有完全自主知识产权、达到国际先进水平的“生物分子界面分析仪”和世界上最小的能产业化的便携式“生物分子界面分析仪”，其体积只有“生物分子界面分析仪”的八分之一，检测灵敏度则要比现在最先进的光学检测还要提高40%。

生物分子界面分析仪及芯片，应用在生物生命分析领域中，实现对生物分子的分子相互作用、动力学研究、细胞吸附、迁移变化、药物作用与药物筛选、生物相容性、聚电解质膜层的组装等高灵敏度检测和分析，也可以应用于石油、化工、航天等领域。

这两款产品的核心技术是自主研发的芯片，该芯片突破了国外垄断产品的技术壁垒。目前，这两款产品已获15项发明专利授权，申请的国际PCT专利也已进入日本和美国。目前国外同类产品，售价在100万元以上。而苏州医工所研发的生物分子界面分析仪价格只有同类产品50多万元。许多参数，还优于国外产品。而针对高校、企业和个人研究人员研发的便携式生物分子界面分析仪，专门用于某类定向测试。产品的单项性能与生物分子界面分析仪相当，但价格仅5万元，进一步拉低了检测门槛。(苏州日报)

Influenceofatomicforcemicroscopecontrolparametersongratingsharpness.

WangPan

(ElectronicInformationEngineering,ChangchunUniversityofScienceamp;Engineering,Changchun130022,China)

The influence of integral gain and proportional gain on the resolution of atomic force microscopy imaging gratings was studied in the paper. The image center distance (ACM) resolution algorithm and point sharpness (EVA) algorithm were used as the evaluation criteria of imaging results. It showed that with the increment of the integral gain and proportional gain, the system noise would increase continuously, and the corresponding image would become less clear until remaining stability.

atomic force microscope; integral gain; proportional gain

201554，吉林省自然基金项目

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.05.021