基于自相關的AFM快速成像

【摘要】原子力顯微鏡（AFM）的原理是利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來作為反饋信號，維持針尖———樣品間作用力恒定，同時針尖在樣品表面掃描，從而得知樣品表面的高低起伏。然而，原子力顯微鏡得到的數據是一維的，如何從這一維的數據恢復出被掃描樣本的二維圖像是一個值得關心的問題。本文主要通過以自相關為核心的相關算法，以Labview為平臺，快速從得到的一維數據恢復出被掃描樣品的二維圖像，從而為進一步的研究提供了便利。同時擴展該算法的用途以作為一種簡易濾波器。

【關鍵詞】AFM自相關Labview濾波器Algorithm based on autocorrelation to get image from AFM scanning

Shuyang Zhang，Yue Shen（School of electronic engineering，University of Electronic Science and Technology of China）

【Abstract】The Atomic Force Microscope was developed to overcome a basic drawback with STM - that it can only image conducting or semiconducting surfaces. The AFM， however， has the advantage of imaging almost any type of surface， including polymers， ceramics， composites， glass， and biological samples. In this paper， we focus on how to form an image from the 1-dimension data produced by AFM. Here， we provide an algorithm based on autocorrelation， which can also be applied as a filter.

【Keywords】AFM； Autocorrelation； Labview； Filter

原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM），一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面結構信息。

而虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。

本文把虛擬儀器技術運用在了原子力學顯微鏡數據的分析與成像上，兩者的結合使相關問題得到了很大的簡化。

一、AFM掃描信號的特征

對于一塊未知的材料，AFM針尖先會預掃找到材料的左上角，然后開始向右掃描，掃描到材料末端，針尖又會回掃，回掃的過程中，針尖會像下移動小段距離x，等針尖掃到材料的左邊后，又會繼續向右掃描開始第二輪掃描。

由AFM掃描信號的特點可知，由于x的值非常小，所以在針尖掃描的兩個相鄰周期內，信號可以看作是近似周期的。對于這種類周期信號，可以用自相關的方法來檢測。

本文中的方法是自相關理論的延伸，本文采用自相關的最大值作關于時間t的函數，設該函數為f，則f的周期性與掃描數據的周期性在理論上是相等的。

二、自相關的最大值算法的實現

2.1自相關最大值算法實現的框圖

三、結束語

虛擬儀器具有性能高，擴展性強，開發時間少，無縫集成等多種優勢，本文只是虛擬儀器在某一特定方面的某一特定應用。虛擬儀器的便利和快捷為各種仿真、測試、調試提供了更多的可能性。

參考文獻

[1] ALAN V.OPPENHEIM Discrete-time signal processing

[2] ALAN V.OPPENHEIM Signals and systems

[3]阮奇楨我和labview