[发明专利]一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统

说明书

本发明公开了一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统，该方法先将任意形状的原子力显微镜针尖与被测物体之间的相互作用势表达成原子力显微镜针尖局部主曲率的函数，然后通过旋转针尖，记录被测扫描点两组作用力数据，并对比两组作用力数据判断被测物体表面上是否出现凹陷显著区域；若是则通过两次调整原子力显微镜针尖高度，采用几何近似关系，计算出原子力显微镜针尖距离被测物体表面的垂直高度，从而还原出被测物体凹陷显著区域表面的真实几何形貌。应用本发明，纠正了原子力显微镜在表面凹陷区的误差，克服了现有原子力显微镜在表面凹陷区图像失真问题，提高了对被测物体表面凹陷区的探测精度。

技术领域

本发明涉及原子力显微镜技术领域，特别涉及一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统。

背景技术

原子力显微镜是常见的微纳米尺度的测量工具，它是基于针尖与被测物体之间的短程相互作用力与距离之间的函数关系，通过测量作用力，获得二者之间的相对高度，从而还原出被测物体的表面形貌。具体操作时，针尖的模型通常有球形、半球形、锥形以及圆柱形等。考虑到被测物体的尺寸通常远大于针尖，因此将被测物体抽象为半无限大平面体，建立针尖与半无限大平面体之间的相互作用函数。但是，这些简化操作同样会带来误差。

首先，原子力显微镜针尖尺寸非常小，通常在几十个纳米量级，由于制备上的困难，真实的针尖并不是标准的球形、半球形、锥形或圆柱形。考虑到研究任意几何形状的曲面体与半无限大平面体之间的相互作用的难度，目前仍然将针尖视为简单的球形等几何形状进行建模，虽然计算简单，但存在一定误差。考虑到微纳米尺度下，被测物体之间的相互作用是非常短程的，因此，描述针尖局部区域的几何形状尤为重要。

其次，原子力显微镜是根据针尖与被测物体的相互作用力与相对高度之间的函数关系，通过移动针尖的高度来还原出表面几何形貌。但是，在表面凹陷明显的区域，针尖与被测物体之间的最近距离往往并不是垂直高度。此时根据力与高度的关系，测量出来的并不是真实的垂直距离，从而导致表面扫描精度的下降和图像的失真。

基于以上问题，建立一般任意几何形状针尖与被测物体之间的相互作用模型，提出克服针尖在凹陷区测量误差的测量方法，具有十分有意义的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法及系统，目的是建立一种任意形状原子力显微镜针尖与被测物体之间的作用模型，基于此模型，又提出一种旋转针尖测量方法，来提高原子力显微镜在表面凹陷区的图像精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种物体凹陷区域表面几何相貌还原方法，所述物体凹陷区域表面几何相貌还原方法包括：

选择任意形状的原子力显微镜针尖，并构建所述原子力显微镜针尖的三维模型；

根据所述三维模型，确定所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率；

根据所述原子力显微镜针尖顶点处两个不同方向的主曲率，确定所述原子力显微镜针尖与被测物体表面之间的相互作用力函数；

在被测物体表面进行扫描时，对于被测物体表面上的每个被测扫描点，都先选取其中一个主曲率线的切线方向进行扫描测量，记录第一作用力值，然后将所述原子力显微镜针尖旋转90度后再次进行扫描测量，记录第二作用力值，并计算所述第一作用力值与所述第二作用力值的绝对值；

判断所述绝对值是否小于设定阈值，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示所述绝对值小于所述设定阈值，则确定所述被测扫描点所在的区域为平整区域，并继续扫描，直到每个被测扫描点都被扫描后结束；