基于纳米金柱阵列结构的原子力显微镜探针针尖形貌盲重构

With the rapid development of nanotechnology, atomic force microscope (AFM), one of the most important nanoscale measurement instruments, is widely used in nanofabrication and testing areas. An AFM image is the dilation of the specimen surface with probe tip. It is easy for AFMs to be contaminated, polluted and damaged as they are used. The change of the morphology of AFM tip makes AFM images distorted. Thus, it is necessary to characterize and reconstruct the shapes of AFM tip, which is the key issue in the field of nano-metrology. The shape and reliablility of AFM tip are determined through tip characterization, which is to correct AFM images and ultimately to improve the measurement accuracy of AFM. The current research focuses on AFM tip characterizer preparation, characterization models and blind reconstruction algorithms. On this basis, the gold nanorod array structures are proposed for AFM tip morphology blind reconstruction and tip cleaning. Firstly, gold nanorod array structures with high consistency, high aspect ratio and large spacing are designed and fabricated.The nanostructures are used for characterization and blind reconstuction of AFM tip. Then the corresponding models and algorithms can be achieved. Secondly, the effects of AFM scanning modes, image resolution and image noise on blind reconstruction of AFM tip is analyzed and discussed. The degree of tip wear is accurately estimated and tip cleaning effect is analyzed after the characterization by using gold nanorod array structures as tip characterizer.

随着纳米技术的快速发展，原子力显微镜（AFM）广泛应用于纳米加工与测试，是目前纳米尺度最重要的测量仪器之一。AFM图像是样品和针尖耦合作用的结果，针尖在使用过程中易产生磨损、污染和破坏，针尖形貌的变化会使AFM图像产生失真。因此，有必要对AFM探针针尖形貌进行表征与重构，这是纳米计量领域的关键问题之一。通过针尖表征可以确定针尖的具体形状和可靠性，以便对AFM图像进行修正，最终提高AFM的测量精度。目前研究主要集中在针尖表征结构的制备、表征模型和盲重构算法上。在此基础上，我们提出采用纳米金柱阵列结构对AFM针尖进行形貌盲重构和清洁，首先，设计和制备出具有高度一致性、高深宽比、大间距的超细纳米金柱阵列；实现基于纳米金柱状阵列结构的AFM探针针尖盲重构模型和算法。其次，分析AFM的扫描模式、图像分辨率和图像噪声对针尖盲重构的影响；估计AFM探针针尖在表征后的磨损程度，分析该结构对针尖的清洁效果。

随着微电子学、材料学、精密机械学、生命科学和生物学等的研究深入到原子尺度，纳米加工工艺要求逐步提高，纳米尺度精密测量和量值传递标准需求越来越大。为此，迫切需要具有计量功能的纳米、亚纳米精度测量系统（包括测量仪器和标定样品等）。AFM图像是探针针尖和样品表面相互作用的结果，针尖形貌不确定度是原子力显微镜测量不确定度的主要来源。因此，有必要对AFM 探针针尖形貌进行表征与重构，以提高AFM测量准确度，满足纳米测量精度和量值溯源的需求。但它在进行样品扫描时，成像耗时长，这严重影响样品、探针的反复使用。.设计和制备了多种AFM针尖表征样品，并对传统探针形貌进行了评估与重构；为了解决AFM扫描时间过长的问题，提出了一种基于压缩感知（CS）理论的原子力显微镜图像重构方法，保证不损失图像质量的同时尽可能地减少成像时长。所做的主要研究工作包括：.（1）系统分析原子力显微镜的成像原理及其工作模式；总结AFM测量不确定度的主要来源，其中重点分析探针针尖形貌对AFM成像结果的影响。对已有AFM探针针尖表征样品进行归纳，分析各自的优缺点；详细分析当前典型的AFM针尖表征方法，探讨其中的利与弊，重点分析针尖盲重构算法，并基于MATLAB进行算法实现。.（2）采用二次阳极氧化法加工多孔氧化铝模板，并对其进行扫描电子显微镜（SEM）和AFM检测；为减少AFM图像噪声对重构结果的影响和扫描时表征样品对探针针尖造成的损伤，提出采用多孔铝模板作为AFM针尖表征样品，并分析表征结果；采用模板合成法加工纳米金柱状阵列结构，分析纳米孔内金柱的形成机制，采用SEM和AFM分析所加工样品表面特征结构；为实现针尖高深宽比表征，提出采用纳米金柱阵列结构盲重构AFM探针形貌；加工双向拉伸聚合物（BOPP）薄膜，采用SEM和AFM对其进行表征；为避免探针表征样品加工难等缺点，实现样品简单普通化，提出基于BOPP薄膜对AFM针尖形貌进行表征，分析此样品的有效性及实用性。.（3）选用了两种具有不同信息特征的测试样品（多孔铝和光栅），在不同的采样率下，用压缩感知贪婪算法重构原子力显微镜扫描图像，分析两组不同形貌图像的重构结果。实验结果表明利用压缩感知贪婪算法，结合最优采样规律，可以有效地压缩原子力显微镜图像数据、减少成像时间和提高测量精确度。