методичка по лабам

Все методы обработки и анализа, реализованные в программе разделены на группы, объединяющие родственные методы. Список групп и входящих в них методов содержится в Дереве методов, свернутый вариант которого представлен на рис. 5.3.

Для применения метода к активному фрейму необходимо:

1.Раскрыть соответствующую группу методов щелчком манипулятора по маркеру перед названием группы.

2.Выбрать метод двойным щелчком манипулятора по названию метода.

Врезультате применения метода будет создан новый фрейм данных, помещаемый в области фреймов.

Названия применяемых методов обработки и анализа СЗМизображений последовательно отображаются в Списке последних методов (рис. 5.4), что позволяет быстро выбрать один из последних примененных методов.

Завершение работы программы осуществляется одним из способов:

•на панели меню выбрать ScanViewer → Выйти из программы,

•щелкнуть правой клавишей манипулятора на значке программы, в открывшемся контекстном меню выбрать пункт Завершить.

5.2 Загрузка и сохранение данных

Программа ScanViewer позволяет открывать файлы с расширениями *.mdt и *.spm. Файлы данных загружаются следующим образом:

•выбрать в меню пункт Файл → Открыть,

•переместить с помощью манипулятора выбранный файл на панель фреймов. Сохранение данных осуществляется в форматах *.mdt и *.spm. с

помощью меню Файл → Сохранить как. Отдельные фреймы можно сохранить, переместив их в нужное место с помощью манипулятора (сохраняются в формате *.mdt).

41

5.3 Фильтрация изображений

Среди методов обработки и анализа СЗМ-изображений, реализованных в программе ScanViewer можно выделить группу методов фильтрации. В Деревеметодоввыделяютследующиегруппыметодовфильтрацииизображений:

•сглаживающие фильтры

•градиентные фильтры

•фильтры резкости

•нелинейные фильтры.

Сглаживающие фильтры используются для уменьшения высокочастотных шумов. К сглаживающим фильтрам относят:

•однородные фильтры (фильтры сглаживания и однородные),

•гауссовы фильтры.

Градиентные фильтры используются для выделения границ объектов, для подчеркивания и усиления локальных неоднородностей. К градиентным фильтрам относят:

•фильтры Превита (горизонтальный и вертикальный),

•фильтры Собеля (горизонтальный и вертикальный).

Горизонтальные фильтры выделяют границы объектов, расположенных в горизонтальном направлении, вертикальные - в вертикальном направлении.

Фильтры резкости усиливают разницу между соседними точками изображения. Эти фильтры используются для повышения визуальной четкости изображений, выделения границ областей и объектов, повышения контраста локальных неоднородностей. К фильтрам резкости относят:

•фильтры Лапласа,

•высокочастотные фильтры.

Нелинейные (медианные) фильтры являются сглаживающими фильтрами, которые убирают шумы импульсного характера, но сохраняют резкость границ.

5.4 Обработка и анализ изображений

В Дереве методов программы ScanViewer выделяют следующие группы методов обработки и анализа СЗМ-изображений:

•преобразование изображений,

•сечение,

•статистика,

•вычитание поверхностей,

•Фурье анализ.

42

5.4.1 Преобразования изображений

К методам преобразования изображений относят:

Урезание по Z - исходная функция Z(x, y) обрезается сверху и снизу на заданном уровне.

Поворот на 180° - Поворот на 90° против часовой стрелки -

Поворот на 90° по часовой стрелке -

Отразить по вертикали - зеркальное отображение фрейма сверху вниз. Отразить по горизонтали - зеркальное отображение фрейма слева направо. Инверсия - инверсия координаты Z.

Вырезание области - перед применение метода необходимо с помощью

который записывается как новый фрейм.

5.4.2 Построение сечений

В группе Построение сечений находятся следующие функции:

Анализ сечений - открывается окно Анализ сечений (рис. 5.5.), где выполняется работа с сечениями. В левой половине окна располагается изображение исходного фрейма, в правой - профили выбранных сечений.

Рисунок 5.5 - Окно Анализ сечений.

43

Простое сечение - перед применением метода с помощью кнопки

следует отметить отрезок на изображении. График сечения помещается в области фреймов.

Сечение с усреднением - перед применением метода с помощью кнопки следует выделить фрагмент изображения. Сечение

изображения осуществляется слева направо и усредняется по выбранному количеству линий, равномерно распределенных внутри выделенной области. График сечения помещается в области фреймов.

5.4.3 Статистическая обработка изображения

Статистическая обработка изображения включает один метод – Гистограмма,- применение которого создает график плотности распределения значений (дифференциальный) функции Z(x, y) и график распределения этой же функции (интегральный). Полученные графики помещаются в области фреймов.

5.4.4 Вычитание поверхностей и полиномов

При применении методов вычитания поверхностей и полиномов

позволяет устранять из изображений наклоны поверхности и искажения более высокого порядка. В программы ScanViewer возможны следующие преобразования изображений.

Методы вычитания поверхностей: Плоскость - вычитание плоскости,

Поверхность - вычитание поверхности второго порядка.

Методы построчного вычитания полиномов заданного порядка: Постоянная по Y- построчное вычитание среднего значения в направлении

оси Y.

Прямая по Y - построчное вычитание в направлении оси Y полинома первого порядка.

Кривая по Y - построчное вычитание в направлении оси Y полинома второго порядка.

Постоянная по X - построчное вычитание среднего значения в направлении оси X.

Прямая по X - построчное вычитание в направлении оси X полинома первого порядка.

Кривая по X - построчное вычитание в направлении оси X полинома второго порядка.

44

5.4.5 Фурье анализ

ИзметодовФурьеанализафункцийвпрограммуScanViewer включены: Вертикальный PS анализ - рассчитывает одномерную функцию - средний размер мощности по оси Y для фурье-изображения.

Горизонтальный PS анализ - рассчитывает одномерную функцию - средний размер мощности по оси X для фурье-изображения.

Изотропный PS анализ - рассчитывает одномерную функцию - средний размермощностидлядвумерногофурье-изображения.

Фурье анализ - при выборе этого метода открывается окно Фурье анализа

(рис. 5.6.).

Рисунок 5.6 - Окно Фурье анализа.

В правой половине окна располагается исходное изображение фрейма, слева - Фурье-образ исходного изображения. При построении изображения Фурье-образа в зависимости от метода, выбранного в меню в нижнем левом углу окна, отображаются следующие величины:

- при установке флажка открывается боковая панель, где выводятся выбранные сечения.

45

6 Лабораторные работы

6.1Лабораторная работа № 1 "Подготовка прибора NanoEducator

кработе. Изучение морфологии поверхности стандартного образца методами АСМ"

Цель работы: Ознакомиться с работой прибора, научиться настраивать СЗМ NanoEducator перед началом работы.

Приборы и материалы

-сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator,

-стандартный тестовый образец,

-пинцет,

-предметный столик для закрепления образца.

Порядок выполнения работы

Для выполнения данной работы необходимо осуществить следующие действия:

1.Установить образец на предметный столик.

2.Установить предметный столик на держатель для образцов.

3.Установить и закрепить зондовый датчик.

4.Выбрать режим сканирования АСМ.

5.Настроить зондовый датчик на резонансную частоту.

6.Вручную подвести зонд к образцу на расстояние ~ 1 мм.

7.Установить защитную крышку с видеокамерой.

8.Осуществить подвод зонда к поверхности образца в автоматическом режиме.

9.Задать необходимые параметры сканирования:

•выбрать режим сканирования - полуконтактный (АСМ),

•выбрать область сканирования,

•задать скорости прямого и обратного прохода,

•выбрать коэффициент усиления обратной связи.

10.Провести сканирование стандартного тестового образца.

11.При необходимости провести фильтрацию и обработку изображения.

12.Подготовить отчет о проделанной работе в соответствии с требованиями раздела 6.14.

При выполнении данной работы необходимо следовать указаниям, изложенным в разделе 4 «Управление сканирующим зондовым микроскопом

NanoEducator».

Контрольные вопросы

1.Опишите общую конструкцию СЗМ.

2.Назовите основные компоненты СЗМ NanoEducator и их назначение.

3.Объясните принцип работы силового датчика.

47

4.Опишите механизм подвода зонда к поверхности.

5.В чем заключаются принципиальные различия режимов АСМ от СТМ?

6.Назовите и опишите режимы работы атомно-силового микроскопа.

6.2Лабораторная работа № 2 "Влияние формы острия зонда на изображение поверхности"

Цель работы: Изучитьпринципработыустановки травления зонда иподготовить двазондасразнымигеометрическимихарактеристиками. Получить изображения эталонного образца до и после травления зонда.

Приборы и материалы

-установка травления зондов,

-сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator,

-стандартныйобразецTGT,

-пинцет,

-предметный столик для закрепления образца,

-5% раствор щелочи (NaOH).

Порядок выполнения работы

1.Получить АСМ изображение стандартного образца TGT, следуя указаниям в разделе 4 «Управление сканирующим зондовым микроскопом

NanoEducator».

2.Провести травление зонда по методике:

•Подключить УТИ (рис. 4.18) к адаптеру, входящему в комплект поставки, и подключить адаптер к электрической сети 220 В.

•Убедиться, что режим травления выключен (не горит красная лампочка на выключателе).

•Повернуть кольцо 2 в сторону от держателя 8 на установке УТИ.

•Вставить датчик с зондом в держатель 8.

•Установить, держатель с датчиком в такое положение, чтобы зонд 1 был в вертикальном положении.

•Поднять винтом 3 держатель 8 с датчиком в верхнее положение так, чтобы острие зонда 1 был выше кольца 2.

•Повернуть кольцо 2 так, чтобы оно оказалось под зондом 1.

•Отрегулировать положение оптического микроскопа так, чтобы кольцо 2 было в фокусе микроскопа.

•Повернуть кольцо 2 в прежнее положение и навесить на него каплю 5% раствора NaОН из чашки Петри (привести кольцо в кратковременный контакт с поверхностью жидкости и опустить чашку вниз, - на кольце образуется капля раствора).

•Снова повернуть кольцо под зонд 1, и опустить острие зонда в середину капли, вращая винт 3, до тех пор, пока игла не коснется поверхности раствора. В оптическом микроскопе будет виден образовавшийся с иглой мениск (рис. 6.1 а).

48

а - образование мениска, б - травление вольфрамовой проволоки

Рисунок 6.1 - Процесс травления зонда для СЗМ NanoEducator

•Приподнять острие так, чтобы самый острие зонда был выше поверхности жидкости, но мениск сохранялся (это необходимо, чтобы в процессе травления участвовало только острие зонда, касающееся мениска).

•Запустить процесс травления, нажатием кнопки «включение» (красная кнопка). При этом жидкость начнет «кипеть» (рис. 6.1 б). После того, как острие иглы, касающееся мениска, подтравится, необходимо выключить травление.

•Поднять держатель с датчиком при помощи винта 3.

•Вынуть датчик с готовым зондом из держателя.

•Промыть острие зонда дистиллированной водой и просушить его.

•Вставить датчик в ИГ СЗМ и проверить наличие резонансного пика согласно п.4.2 "Подготовка СЗМ к проведению измерений" Если пик имеет недостаточную амплитуду, повторно просушить зонд.

•Если травление больше осуществляться не будет, снять кольцо со щелочью и промыть его водой.

•Отключить УТИ от электрической сети.

3.ПровестисканированиеповерхностистандартногообразцаTGT зондомпосле травления.

4.Подготовить отчет о проделанной работе в соответствии с требованиями раздела 6.14.

Контрольные вопросы

1.Объясните понятие пьезоэлектрического эффекта и принцип действия пьезоэлектрического двигателя.

2.Как влияет форма зонда на изображение поверхности?

3.Перечислите основные артефакты СЗМ.

4.Объясните, как можно устранять артефакты?

5.Расскажите о методе электрохимического травления.

49

6.3 Лабораторная работа № 3 "Анализ и обработка изображений, полученных при исследовании материалов методами АСМ"

Цель работы: Изучить возможности средств анализа и математической обработки изображений СЗМ.

Приборы и материалы

-сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator,

-стандартный тестовый образец,

-пинцет,

-предметный столик для закрепления образца.

Порядок выполнения работы

Для выполнения данной работы необходимо повторить порядок действий (1-10), описанный в лабораторной работе № 1.

11.Перенести полученное изображение поверхности образца в программу

ScanViewer.

12.Используя различные типы фильтров провести сглаживание изображений (однородные, гауссовы и нелинейные фильтры), выделение границ объектов (градиентные фильтры) и изменение контраста изображения (фильтры резкости).

13.Сравнитьизображения, получаемыеприиспользованииразличныхфильтров.

14.Изучитьвозможностипрограммногопакетапопреобразованиюизображений.

15.Построитьразличныевидысеченийповерхностиипровестистатистическую обработку изображения.

16.Подготовить отчет о проделанной работе в соответствии с требованиями раздела 6.14.

Контрольные вопросы

1.Для чего предназначена фильтрация изображений.

2.Каковы возможности программного пакета ScanViewer по анализу и обработке изображений поверхности материалов.

3.В чем различия изображений получаемых с использованием сглаживающих, градиентных фильтров и фильтров резкости.

4.Вчемотличиесеченийповерхности, выполненныхнаотрезкеисусреднением.

6.4Лабораторная работа № 4 "Изучение возможностей различных режимов АСМ"

Цель работы: Изучить морфологию композиционного материала с использованием различных режимов АСМ.

Приборы и материалы

- сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator,

50