Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
1Сканирующая зондовая микроскопияЛекция №Методы фильтрации и обработки данных СЗМ.Часть 1Содержание лекции1. Что представл...
2Какими бывают АСМ-данные?Рис. 2.1. АСМ-изображение полимерной пленки в разныхцветовых палитрах и в 3D.Рис. 2.2. Силовая к...
3Обработка топографических данных в программеФемтоСкан ОнлайнРис. 3.1. Общий вид главного окна программы ФемтоСкан Онлайн.
4Цвет на АСМ-изображенияхРис. 4.0. Пролет над поверхностью, покрытой бактериями.
5Цвет на АСМ-изображенияхРис. 5.1. Варианты цветовыхпалитр.
6Основные инструменты программы ФемтоСкан ОнлайнРис. 7.1. АСМ-изображение бактерий Esherichia coli иинструмент линейка.Рис...
7Подготовка изображения к работеУдаление некачественных участковУдаление макрорельефаУсреднение по строкам Уменьшение уров...
8Гистерезис и крипРис. 13.1. Петля гистерезиса. Подобнаязависимость величин характерна длявсех видов гистерезиса.Гистерези...
9Усреднение по строкамРис.14.1. Изображение сети из молекул ДНК на слюде дообработки и его сечение по строке. Видно, что п...
10Усреднение по строкам исключая выбранноеРис.15.1. Исходное изображение риновирусов на слюде. Рис.15.2. Изображение ринов...
11Вычитание макрорельефаРис. 16.1. АСМ-изображение Y вируса картофеля висходном виде.Рис. 16.2. Кнопка для вызова функции ...
12Удаление макрорельефа при помощи Фурье фильтрацииРис. 17.1. Исходное АСМ-изображение полимерной пленки.Рис. 17.2. Фурье-...
Удаление шумов при помощи фильтра усреднениеРис. 18.1. Схема работы фильтра усреднение с окном три точки на строке с данны...
14Удаление шумов при помощи фильтра усреднениеРис. 18.3. Кнопка для вызова функции усреднения.Рис. 18.4. АСМ-изображение в...
15Удаление шумов при помощи фильтра МедианаРис. 19.1. Схема работы медианного фильтра с окном три точки на строке с данными.
16Удаление шумов при помощи Фурье фильтрацииРис. 20.1. Исходное АСМ-изображение пленкиблоксополимера стирол-бутадиен с хар...
17Корреляционный анализРис. 32.1. Две величины, связанные разными статистическимизакономерностями.Мерой корреляции двух сл...
18Взаимная корреляция и автокорреляция изображенийТеперь у нас есть два изображения, первое изображение z(x,y), а второе –...
19Выделение структурного элементаРис. 35.1. Изображение периодического молекулярногослоя, улучшенное при помощи функции На...
20Склейка изображенийРис. 34.1. Набор пересекающихся АСМ-изображений поверхности желатиновойпленки для сшивки.Рис. 34.2. К...
21Силовая криваяРис. 2.1. Слева – схематичный вид типичной зависимости отклонения кантилевера Zc отпозиции сканера по верт...
22Чувствительность и жесткость кантилевераРис. 3.1. Общий вид конструкции АСМ.Данные фотодиодаизмеряются в вольтахСканер в...
23Чувствительность кантилевераРис. 4.1. Кантилевер, изогнутый под действием вертикально направленной внешней силы.
24Можно ли рассчитать жесткость кантилевера?Рис. 5.1. Cхематический вид прямоугольного и треугольного кантилеверов длинойL...
25Почему нельзя рассчитать жесткость кантилевера?4. Butt H.J., Siedle P., Seifert K., Fendler K., Seeger T., Bamberg E., W...
26Экспериментальные методы определения жесткостикантилевера5. Senden T.A., Ducker W.A. Experimental Determination of Sprin...
27Оценка жесткости по тепловому шуму11. Hutter J.L., Bechhoefer J. Calibration of atomic force microscope tips, Rev. Sci.I...
28Классификация силовых кривыхРис. 9.1. Слева – схематичный вид типичной зависимости отклонения кантилевера Zc отпозиции с...
29Бесконечно жесткие материалы, отсутствие приповерхностных силРис. 10.1. Идеальная силовая кривая.•На горизонтальном учас...
30Бесконечно жесткие материалы с приповерхностными силамиРис. 11.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличии дальн...
31Деформируемые материалы, отсутствие приповерхностных силРис. 12.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличии даль...
32Деформируемые материалы с приповерхностными силамиРис. 13.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличиидальнодейст...
33Электростатическая силаРис.15.1. Слева – кантилевер с конической иглой со сферическим кончиком, закрепленной на прямоуго...
34Электростатика в жидкостиДебаевский радиус – расстояние, на которое распространяется действиеэлектростатического поля от...
35Контактный режимПотенциальная энергия взаимодействия зонда и образца:В контакте D = 0, а также можно записать, что:Матер...
36Контактный режимЗдесь R – радиус кривизны кончика зонда, W – это работа сил адгезии на единицуплощади контакта, F – сила...
37Пластические деформацииРис. 19.1. Силовая кривая, снятая на поверхности полибутил метакрилата при температуре 30 С.Рис. ...
Эластические деформации21. H. Shulha, X. Zhai, V.V. Tsukruk, Macromolecules 36 (2003) 2825Рис. 20.1. Дендримеры G3 и G4, и...
Подведем итоги
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

лекция по обработка данных на 27 марта

311 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

лекция по обработка данных на 27 марта

  1. 1. 1Сканирующая зондовая микроскопияЛекция №Методы фильтрации и обработки данных СЗМ.Часть 1Содержание лекции1. Что представляют из себя АСМ-данные?2. Обработка топографических данных в программе ФемтоСкан Онлайн:интерфейс программы в целом и основные инструменты, помощь исообщения об ошибках3. Стандартные методы обработки: фильтры, гистограммы, Фурье4. Специфические типы обработки: автоматическое выделениеобъектов, корреляционный анализ и др.5. Что представляют из себя силовые кривые?6. Методы определения параметров кантилеверов7. Классификация силовых кривых8. Электростатика9. Контактный режим
  2. 2. 2Какими бывают АСМ-данные?Рис. 2.1. АСМ-изображение полимерной пленки в разныхцветовых палитрах и в 3D.Рис. 2.2. Силовая кривая, полученная на АСМ (а); и схемасиловой кривой (б).
  3. 3. 3Обработка топографических данных в программеФемтоСкан ОнлайнРис. 3.1. Общий вид главного окна программы ФемтоСкан Онлайн.
  4. 4. 4Цвет на АСМ-изображенияхРис. 4.0. Пролет над поверхностью, покрытой бактериями.
  5. 5. 5Цвет на АСМ-изображенияхРис. 5.1. Варианты цветовыхпалитр.
  6. 6. 6Основные инструменты программы ФемтоСкан ОнлайнРис. 7.1. АСМ-изображение бактерий Esherichia coli иинструмент линейка.Рис. 7.2. Аккуратное измерение длины той же бактерии припомощи сечения дает другой результат: на 100 нм меньше.Рис. 7.3. АСМ-изображение калибровочной решетки иинструмент транспортир.
  7. 7. 7Подготовка изображения к работеУдаление некачественных участковУдаление макрорельефаУсреднение по строкам Уменьшение уровняшума
  8. 8. 8Гистерезис и крипРис. 13.1. Петля гистерезиса. Подобнаязависимость величин характерна длявсех видов гистерезиса.Гистерезис — свойство систем(физических, биологических и т.д.), мгновенный отклик которых наприложенные к ним воздействия зависит в томчисле и от их текущего состояния, аповедение системы на интервале времени вомногом определяется еѐ предысторией.Рис. 13.2. Характерный вид гистерезисана АСМ-изображении.
  9. 9. 9Усреднение по строкамРис.14.1. Изображение сети из молекул ДНК на слюде дообработки и его сечение по строке. Видно, что перепадвысот составляет 200 нм.Рис.14.2. Изображение сети из молекул ДНК на слюдепосле усреднения по строкам и его сечение по строке.Видно, что перепад высот теперь не более 2 нм.Рис. 14.3. Обработанное изображение по-прежнему требует доработки
  10. 10. 10Усреднение по строкам исключая выбранноеРис.15.1. Исходное изображение риновирусов на слюде. Рис.15.2. Изображение риновирусов наслюде, усредненное по строкам обычнымметодом.Рис.15.3. Изображение риновирусов наслюде, усредненное по строкам с исключениемвыбранных областей.Рис. 15.4. Дефект на обработанном изображении.
  11. 11. 11Вычитание макрорельефаРис. 16.1. АСМ-изображение Y вируса картофеля висходном виде.Рис. 16.2. Кнопка для вызова функции выравниванияи диалоговое окно для настройки этой функции.Рис. 16.3. АСМ-изображение Y вируса картофеля висходном виде и после вычитания плоскости.Рис. 16.4. АСМ-изображение Y вируса картофеля висходном виде и после вычитания плоскости иусреднения по строкам.Рис. 16.5. АСМ-изображение полимерной пленки.Рис. 16.6. Кнопка для вызова функции выравниваниясплайном и диалоговое окно для настройки этой функции.Рис. 16.7. Обработаное изображение полимернойпленки.
  12. 12. 12Удаление макрорельефа при помощи Фурье фильтрацииРис. 17.1. Исходное АСМ-изображение полимерной пленки.Рис. 17.2. Фурье-образ этого изображения. В центревыделен небольшой фрагмент для удаления частот.Рис. 17.3. Результат удаления низких частот изизображения – остался только микрорельеф.
  13. 13. Удаление шумов при помощи фильтра усреднениеРис. 18.1. Схема работы фильтра усреднение с окном три точки на строке с данными.Рис. 18.2. в двумерном случае.
  14. 14. 14Удаление шумов при помощи фильтра усреднениеРис. 18.3. Кнопка для вызова функции усреднения.Рис. 18.4. АСМ-изображение вируса табачной мозаики и его усреднение с маской 17*17 точек.
  15. 15. 15Удаление шумов при помощи фильтра МедианаРис. 19.1. Схема работы медианного фильтра с окном три точки на строке с данными.
  16. 16. 16Удаление шумов при помощи Фурье фильтрацииРис. 20.1. Исходное АСМ-изображение пленкиблоксополимера стирол-бутадиен с характерныммикрофазным расслоением, полученное в практикуме.Рис. 20.2.Обрезанное изображение уже выглядитгораздо лучше.Рис. 20.3.Фильтрация шума при помощи Фурье образа.Рис. 20.4.Фильтрация шума при помощи Фурье образа.Рис. 20.5. Изображение после обрезки и уменьшенияшумов.
  17. 17. 17Корреляционный анализРис. 32.1. Две величины, связанные разными статистическимизакономерностями.Мерой корреляции двух случайных величин служит коэффициенткорреляции. Для массива из n точек (x1i, y1i) он определяетсяследующим образом:Средние значенияобеих величинКоэффициент корреляции:Корреляционная функция — функция времени илипространственных координат, которая задает изменениекорреляции в системах со случайными процессами, во времениили в пространстве, соответственно.
  18. 18. 18Взаимная корреляция и автокорреляция изображенийТеперь у нас есть два изображения, первое изображение z(x,y), а второе –t(i,j) –назовем шаблоном. Значение функции корреляции изображения сшаблоном в точке (x,y) исходного изображения определяется по формуле:НормализуемГде Rzz и Rtt – автокорреляционные функции изображения и шаблона.Автокорреляционные функции определяются по формуламРис. 33.1. Изображение калибровочной решетки и его автокорреляционнаяфункция.
  19. 19. 19Выделение структурного элементаРис. 35.1. Изображение периодического молекулярногослоя, улучшенное при помощи функции Найти структурный элемент.
  20. 20. 20Склейка изображенийРис. 34.1. Набор пересекающихся АСМ-изображений поверхности желатиновойпленки для сшивки.Рис. 34.2. Кнопка для вызовафункции сшивки изображений идиалоговое окно для выборасшиваемых картинок.Рис. 34.3. Сшитое из 9 картинок изображение желатиновой пленки.
  21. 21. 21Силовая криваяРис. 2.1. Слева – схематичный вид типичной зависимости отклонения кантилевера Zc отпозиции сканера по вертикали Zp. Справа – соответствующая кривая разделения – зависимостьотклонения кантилевера Zc от расстояния между зондом и поверхностью D.1. H.-J. Butt et al. Force measurements with atomic force microscope, Surface ScienceReports 59 (2005) 1–152.2. Weisenhorn A.L., Hansma P.K., Albrecht T.R., Quate C.F., Forces in atomic forcemicroscopy in air and water, Appl. Phys. Lett. v. 54, p. 2651–2653 (1989).
  22. 22. 22Чувствительность и жесткость кантилевераРис. 3.1. Общий вид конструкции АСМ.Данные фотодиодаизмеряются в вольтахСканер всегда с высокойточностью откалиброван в нм.3. Joost te Riet et al. Interlaboratory round robin on cantilever calibration for AFM forcespectroscopy, Ultramicroscopy 111 (2011) 1659–1669.
  23. 23. 23Чувствительность кантилевераРис. 4.1. Кантилевер, изогнутый под действием вертикально направленной внешней силы.
  24. 24. 24Можно ли рассчитать жесткость кантилевера?Рис. 5.1. Cхематический вид прямоугольного и треугольного кантилеверов длинойL, шириной w и с углом α при вершине.E – модуль Юнга материала, из которого сделанкантилевер, w – его ширина,tc – толщина,L – длина,ρ - плотность материала, из которого сделан кантилевер.
  25. 25. 25Почему нельзя рассчитать жесткость кантилевера?4. Butt H.J., Siedle P., Seifert K., Fendler K., Seeger T., Bamberg E., Weisenhorn A.L., GoldieK., Engel A. Scan speed limit in atomic force microscopy, J. Microsc., v. 169, p. 75-84 (1993).5. Khan A., Philip J., Hess P. Young’s modulus of silicon nitride used in scanning forcemicroscope cantilevers, J. Appl. Phys., v. 95, p. 1667--1672 (2004).• Толщина кантилевера может быть неоднородна, и она никогда неизвестна с необходимой точностью,• Кантилевер состоит из тонкого слоя кремния, модуль Юнга которогоможет отличаться от табличного значения, известного для толстыхкремниевых пластин• В реальных кантилеверах всегда будут присутствовать слой оксидакремния с нижней стороны балки,• а также напыленный отражающий слой золота или алюминия с верхнейстороны.
  26. 26. 26Экспериментальные методы определения жесткостикантилевера5. Senden T.A., Ducker W.A. Experimental Determination of Spring Constants in AtomicForce Microscopy, Langmuir, v. 10, p. 1003-1004 (1994).6. Maeda N., Senden T.J. A Method for the Calibration of Force Microscopy Cantileversvia Hydrodynamic Drag, Langmuir, v. 16, p. 9282-9286 (2000).Где X – измеренная разностьсигналов,R – радиус сферы,ρ – плотность вольфрама,g – ускорение свободногопадения, Ω – чувствительностькантилевера, измереннаястандартным образом.Рис. 7.1. Модель для измерения отклонения кантилеверав ламинарном потоке жидкости.7. Degertekin F.L., Hadimioglu B., Sulchek T., Quate C.F. Actuation and characterizationof atomic force microscope cantilevers in fluids by acoustic radiation pressure , Appl.Phys. Lett., v. 78, p. 1628-1630 (2001).9. Cleveland J.P., Manne S., Bocek D., Hansma P.K. A nondestructive method fordetermining the spring constant of cantilevers for scanning force microscopy, Rev. Sci.Instrum., v. 64, p. 403-405 (1993).8. Holbery J.D., Eden V.L., Sarikaya M., Fisher R.M. Experimentaldetermination of scanning probe microscope cantilever spring constants utilizinga nanoindentation apparatus , Rev. Sci. Instrum., v. 71, p. 3769-3776 (2000).10. Bonaccurso E., Butt H.J. Microdrops on Atomic Force Microscope Cantilevers:Evaporation of Water and Spring Constant Calibration, J. Phys. Chem. B, v. 109, p. 253-263 (2005).
  27. 27. 27Оценка жесткости по тепловому шуму11. Hutter J.L., Bechhoefer J. Calibration of atomic force microscope tips, Rev. Sci.Instrum., v. 64, p. 1868--1873 (1993).Уравнение Ньютона:m* = 0,2427mc + mt - эффективная масса кантилевера,mc = w tc L ρ - масса самой балки кантилевера,mt - масса иглы.Предполагается, что коэффициент затухания γD и константа жесткости независят от времени.Любое движение кантилевера вызвано внешней силой F(t)Проинтегрируем:
  28. 28. 28Классификация силовых кривыхРис. 9.1. Слева – схематичный вид типичной зависимости отклонения кантилевера Zc отпозиции сканера по вертикали Zp. Справа – соответствующая кривая разделения – зависимостьотклонения кантилевера Zc от расстояния между зондом и поверхностью D.
  29. 29. 29Бесконечно жесткие материалы, отсутствие приповерхностных силРис. 10.1. Идеальная силовая кривая.•На горизонтальном участке Zc=0.•На наклонном F=kc Zc.•Расстояние между иглой и образцомопределяется по формуле D=Zc + Zp.•Zp отсчитывается от точки, в которойпересекаются горизонтальная и линейная частикривой, - это и есть точка контакта.•на наклонном контактном участке Zp= - Zc, D=0.
  30. 30. 30Бесконечно жесткие материалы с приповерхностными силамиРис. 11.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличии дальнодействующих приповерхностных сил (b).•Если мы хотим, чтобы, как ираньше, в области контактавыполнялись соотношения Zp = -Zc иD=0, нам нужно соответствующимобразом определить положениеточки Zp=0.•Оно определяется как пересечениепродолженных линейных участковкривой.•В бесконтактной области имеем:D = Zp + Zc = Zp + F/kc.
  31. 31. 31Деформируемые материалы, отсутствие приповерхностных силРис. 12.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличии дальнодействующих приповерхностных сил (b).Кривая при наличии деформации (с).•В бесконтактной области Zc=0 иD=Zp.• Точка контакта находитсятам, где силовая криваяотклоняется от горизонтали.•Расстояние между иглой иобразцом в контакте D=0, но этоне адекватно описываетдеформацию. Принято вконтактной части использоватьдругой параметр δ – величинудеформации.
  32. 32. 32Деформируемые материалы с приповерхностными силамиРис. 13.1. Идеальная силовая кривая (а). Кривая при наличиидальнодействующих приповерхностных сил (b). Кривая при наличиидеформации (с). Кривая при наличии дальнодействующего притяжения идеформации – самый сложный вариант.
  33. 33. 33Электростатическая силаРис.15.1. Слева – кантилевер с конической иглой со сферическим кончиком, закрепленной на прямоугольной консоли, игеометрические параметры, которые его характеризуют. Справа – силовая кривая, рассчитанная для случая приложениянапряжения 10 В. Геометрические параметры иглы кантилевера, использованные в моделировании: ϴ= 15 , R = 100нм, H = 8 мкм. Игла закреплена на консоли длиной L=200 мкм, шириной w=25 мкм под наклоном 15 к горизонтали.Пунктирными линиями на графиках показаны отдельные вклады консоли, иглы и ее кончика.15. S. Hudlet, M. Saint Jean, C. Guthmann, J. Berger, Eur. Phys. J. B 2 (1998) 5.16. B.M. Law, F. Rieutord, Phys. Rev. B 66 (2002) 035402.
  34. 34. 34Электростатика в жидкостиДебаевский радиус – расстояние, на которое распространяется действиеэлектростатического поля отдельного заряда в нейтральнойсреде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частицI – ионная сила электролита, измеряемая в молях,ε0 – деэлектрическая проницаемость вакуума,εr – диэлектрическая постоянная вещества,T – температура, измеряемая в Кельвинах,e – элементарный заряд электрона
  35. 35. 35Контактный режимПотенциальная энергия взаимодействия зонда и образца:В контакте D = 0, а также можно записать, что:Материал E, ГПа νКремний 130-185 0,26-0,28Нитрид кремния 160-290 0,20-0,27Оксид кремния 72 0,17
  36. 36. 36Контактный режимЗдесь R – радиус кривизны кончика зонда, W – это работа сил адгезии на единицуплощади контакта, F – сила, с которой зонд действует на образец, а Etot – комбинацияиз характеристик образца и иглы, определенная также, как и на предыдущем слайде.17. H. Hertz, J. Reine Angew. Math. 92 (1882) 156.18. K.L. Johnson, K. Kendall, A.D. Roberts, Proc. R. Soc. London A 324 (1971) 301.19. B.V. Derjaguin, V.M. Muller, Y.P. Toporov, J. Colloid Interf. Sci. 53 (1975) 314.20. D. Maugis, J. Colloid Interf. Sci. 150 (1992) 243.Теория Герца DMT JKRТеории
  37. 37. 37Пластические деформацииРис. 19.1. Силовая кривая, снятая на поверхности полибутил метакрилата при температуре 30 С.Рис. 19.2. Схема расчета параметров пластической деформации по силовым кривымИндекс пластичности образца
  38. 38. Эластические деформации21. H. Shulha, X. Zhai, V.V. Tsukruk, Macromolecules 36 (2003) 2825Рис. 20.1. Дендримеры G3 и G4, исследованные в работеРис. 20.2. Характерные силовые кривые для двух дендримеров исоответствующие зависимости деформации от нагрузки.Рис. 20.3. Зависимости модулей Юнга от деформации для дендримера G3(a) и дендримера G4 (b).38
  39. 39. Подведем итоги

×