| 作者 Bryan Huey，康涅狄格大學(xué)

原子力顯微鏡 (AFM) 是納米技術(shù)的基石技術(shù)，使研究人員能夠以亞納米分辨率獲得對(duì)表面形貌的詳細(xì)了解。該技術(shù)涉及使用尖銳探針掃描樣本，以極高的精度繪制表面特征圖，這一能力使 AFM 成為材料科學(xué)、物理學(xué)、機(jī)械工程和生物學(xué)等領(lǐng)域的重要工具。

在傳統(tǒng)的 AFM 中，目標(biāo)之一是盡量減少探頭與材料接觸的力，通常將該力減小到僅僅皮牛頓級(jí)別。我在康涅狄格大學(xué) (UConn) 的研究小組徹底顛覆了這一想法，通過(guò)強(qiáng)制探頭刮擦或挖入樣本，以便我們可以測(cè)量表面甚至表面以下的壓電響應(yīng)、光電流和其他材料特性。這種新方法稱為斷層掃描原子力顯微鏡 (TAFM)，可以重建樣品的 3D 圖像，揭示傳統(tǒng) AFM 無(wú)法檢測(cè)到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地下特征。

圖 . 通過(guò) TAFM 測(cè)量的納米復(fù)合材料壓電響應(yīng)的 3D 表示，比例尺為 500 x 500 x 25 nm。

處理 TAFM 數(shù)據(jù)本身就存在一系列挑戰(zhàn)。一個(gè)主要問(wèn)題是 z 方向(深度)數(shù)據(jù)的稀疏性。與均勻獲取數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)成像方法不同，TAFM 通常會(huì)生成有限數(shù)量的非線性分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)，尤其是沿 z 軸。這種稀疏的數(shù)據(jù)分布使重建過(guò)程變得復(fù)雜，需要復(fù)雜的計(jì)算方法來(lái)準(zhǔn)確地插入和可視化數(shù)千張連續(xù)圖像中的缺失信息。

我的研究小組，康涅狄格大學(xué)材料科學(xué)與工程系的 HueyAFM 實(shí)驗(yàn)室，最近實(shí)施了一種用于后處理 TAFM 數(shù)據(jù)的新方法。這種基于 MATLAB 的新方法采用了 Lidar Toolbox(一個(gè)汽車和其他行業(yè)的工程師通常用來(lái)設(shè)計(jì)、分析和測(cè)試激光雷達(dá)處理系統(tǒng)的產(chǎn)品)創(chuàng)新用法，以加速 TAFM 數(shù)據(jù)的可視化和分析。Lidar Toolbox 點(diǎn)云功能對(duì)于原始 TAFM 數(shù)據(jù)的高級(jí)可視化特別有用，使我們能夠?qū)⑾∈杞Y(jié)果網(wǎng)格化以導(dǎo)出到 3D 圖像堆棧。除了簡(jiǎn)化執(zhí)行 3D 分割、計(jì)算表面法線和曲率以及確定沿各個(gè)矢量的依賴關(guān)系等任務(wù)之外，MATLAB 和 Lidar Toolbox 還將 TAFM 數(shù)據(jù)集后處理所需的時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到幾分鐘，從而大大提高了我們研究的速度和影響力。

傳統(tǒng)后處理的挑戰(zhàn)

我們實(shí)驗(yàn)室中使用的原子力顯微鏡在單次斷層掃描實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生大約 1 億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這包括沿 x、y 和 z 方向的超過(guò) 1000 萬(wàn)個(gè)不同坐標(biāo)的測(cè)量，每個(gè)坐標(biāo)測(cè)量多個(gè)屬性，例如力、壓電性、電導(dǎo)率、光電導(dǎo)性、表面電位、剛度和/或磁場(chǎng)。

圖 . 康涅狄格大學(xué) HueyAFM 實(shí)驗(yàn)室的四臺(tái)牛津儀器庇護(hù)所研究原子力顯微鏡之一。

最后，我們需要通過(guò)可視化來(lái)展示可以被視為彩色構(gòu)建塊的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)塊或體素的顏色表示該微小樣本體積中特定測(cè)量材料屬性的值。該構(gòu)建塊結(jié)構(gòu)的 x 維和 y 維定義明確，但 z 維需要后處理，以解決我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)樣本進(jìn)行精細(xì)挖掘所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)稀疏性和不均勻分布的問(wèn)題。最初，我們使用 MATLAB 中的 3D 插值算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以便在均勻深度下進(jìn)行可視化。雖然這種方法有效，但由于數(shù)據(jù)集的大小和復(fù)雜性，需要幾個(gè)小時(shí)的處理時(shí)間。

Lidar Toolbox 的新穎用例

在尋找縮短后處理時(shí)間的方法時(shí)，我想到使用 Lidar Toolbox 的點(diǎn)云功能——特別是 X 和 Y 函數(shù)——分析TAFM數(shù)據(jù)。我用了 rmmissing 處理有時(shí)為了裁剪、過(guò)濾或分割目的而被掩蓋的缺失數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)點(diǎn);pcdownsample 考慮數(shù)據(jù)量;以及 pcShow 進(jìn)行可視化。

使用 Lidar Toolbox 進(jìn)行 TAFM 后處理的主要好處是速度：它比

我們以前的方法快一千倍。另一個(gè)好處是提高了可視化效果，這在我們探索數(shù)據(jù)時(shí)至關(guān)重要?，F(xiàn)在我們可以放大和縮小并旋轉(zhuǎn)樣本，以更好地觀察材料及其屬性。

同樣重要的是，我們采用 Lidar Toolbox 的新后處理方法增強(qiáng)了我們對(duì)分析的信心。例如，使用 Lidar Toolbox 我們可以輕松確定任何給定體素中存在多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。此外，我們可以選擇每個(gè)體素的深度，優(yōu)化該深度，以便大多數(shù)體素至少包含一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。作為研究人員，我們對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性有更好的感覺(jué)。當(dāng)然，當(dāng)我們發(fā)表我們的研究結(jié)果時(shí)，必須報(bào)告我們并不是簡(jiǎn)單地在稀疏數(shù)據(jù)點(diǎn)之間進(jìn)行插值，而是我們擁有分析體積中幾乎所有可能的體素的真實(shí)數(shù)據(jù)(通常至少 99%)。

后續(xù)步驟

將 Lidar Toolbox 納入我們的后處理工作流程為我們進(jìn)一步了解所研究的材料開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。例如，我們可以使用 x、y 和 z 位置來(lái)定義一個(gè)表面，然后使用 Lidar Toolbox 函數(shù)來(lái)分析和量化該表面的曲率。

圖 . 可視化兩個(gè)主曲率(κ1 在左邊，κ2 在右側(cè))可更好地理解從 TAFM 數(shù)據(jù)得出的表面特征，例如峰、谷和鞍點(diǎn)。

我們知道 Lidar Toolbox 具有我們尚未應(yīng)用的附加功能。展望未來(lái)，我們計(jì)劃進(jìn)行更多探索。我們還認(rèn)為，對(duì)大型 TAFM 數(shù)據(jù)集的自動(dòng)分析是未來(lái)不可避免的一步。將我們的后處理和點(diǎn)云活動(dòng)與其他 MATLAB 功能(包括機(jī)器學(xué)習(xí)和 AI)相結(jié)合的能力將變得越來(lái)越有價(jià)值。

這些進(jìn)步，加上 MATLAB 和 Lidar Toolbox 所實(shí)現(xiàn)的加快研究步伐，正在不斷加深我們對(duì)材料特性的理解，這些材料對(duì)于聲納和超聲波成像、計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備、MEMS 傳感器和太陽(yáng)能電池板等一系列重要技術(shù)的性能至關(guān)重要。這種更深入的理解將有助于工程的各個(gè)階段。在前端，憑借對(duì)納米級(jí)材料特性的全面了解，工程師可以設(shè)計(jì)出更高效、更可靠的技術(shù)。在后端，我們可以有選擇地評(píng)估使用過(guò)程中或加速退化后性能高或差的區(qū)域。最終，我們可以優(yōu)化下一代材料解決方案的功能性和可靠性，以應(yīng)對(duì)工程挑戰(zhàn)。

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