أدوات مساعدةلطلبة الماجستير

Data Analysis Atomic Force Microscope by python

محمد بن سعد الميلبي محمد بن سعد الميلبي11/08/2025
0 153 3 دقائق

دليل أداة تحليل بيانات مجهر القوة الذرية (AFM)

دليل الاستخدام لأداة تحليل بيانات AFM

دليل تحليلي وفيزيائي لمعالجة صور مجهر القوة الذرية واستخراج المعاملات السطحية المتقدمة.

1. دليل التشغيل على بيئة Google Colab

تم تصميم هذا البرنامج ليعمل بسلاسة على السحابة لمعالجة بيانات الأسطح وتوليد تقارير PDF تلقائية. يمكنك الوصول إلى البرنامج وبدء العمل مباشرة عبر الرابط التالي:

خطوات الاستخدام:

  • تشغيل الكود: بعد فتح الرابط أعلاه، اضغط على زر التشغيل (Play) الموجود بجانب الخلية البرمجية. سيقوم البرنامج بتثبيت المتطلبات الأساسية.
  • رفع البيانات: ستظهر أيقونة تطلب منك رفع ملف Upload your AFM file. اختر ملف البيانات النصي (TXT/CSV) الذي يحتوي على مصفوفة الارتفاعات (Z-data).
  • المعالجة التلقائية: سيقوم البرنامج بتسوية السطح، تطبيق الفلاتر، حساب المعاملات، ورسم المخططات دون أي تدخل إضافي منك.
  • استلام التقرير: عند الانتهاء، سيتم تحميل تقرير PDF شامل إلى جهازك يحتوي على كافة البيانات الإحصائية والرسوم البيانية.
ملاحظة: تأكد من تصدير بيانات جهاز AFM بصيغة نصية (ASCII) قابلة للقراءة لضمان توافقها مع خوارزميات المعالجة.

2. الأساس الرياضي والمعادلات الفيزيائية

يعتمد البرنامج على مجموعة من المعايير الدولية (مثل ISO 25178) والتحليلات الإحصائية المتقدمة. نورد أدناه التفاصيل العلمية لكل مرحلة معالجة:

أولاً: تسوية السطح (Plane Fitting)

لإزالة الميل الناتج عن وضع العينة غير المستوي، يُستخدم الانحدار الخطي المتعدد لحساب مستوى وهمي يتم طرحه من البيانات الأصلية:

$$Z_{fit}(x,y) = c_0 x + c_1 y + c_2$$ $$Z(x,y) = Z_{original}(x,y) – Z_{fit}(x,y)$$

ثانياً: تصفية السطح (S-Filter / Gaussian High-Pass)

تُفصل الخشونة الدقيقة (Roughness) عن التموجات (Waviness) باستخدام مرشح غاوسي في النطاق الترددي عبر تحويل فورييه السريع (FFT):

$$W(f) = \exp\left(-(\pi \sigma f)^2\right)$$ حيث $\sigma = \frac{\lambda_c \sqrt{\ln 2}}{\pi}$، و $\lambda_c$ هو الطول الموجي للقطع.

ثالثاً: معاملات الخشونة القياسية (ISO 25178)

يتم حساب المعاملات الإحصائية بناءً على المصفوفة المصححة $Z(x,y)$ ذات المساحة $A$:

  • متوسط الخشونة الحسابي ($S_a$):
    $$S_a = \frac{1}{A} \iint |Z(x,y)| dx dy$$
  • جذر متوسط المربع ($S_q$):
    $$S_q = \sqrt{\frac{1}{A} \iint Z(x,y)^2 dx dy}$$
  • المساحة السطحية المعقدة ($S_{dr}$): تقيس نسبة الزيادة في مساحة السطح الحقيقية مقارنة بالمساحة المسقطة.
    $$S_{dr} = \frac{1}{A} \iint \left( \sqrt{1 + \left(\frac{\partial Z}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial Z}{\partial y}\right)^2} – 1 \right) dx dy \times 100$$

رابعاً: التحليل الكسري والطيفي (Fractal & Spectral Analysis)

لحساب الكثافة الطيفية للطاقة (PSD) ومعرفة الترددات المكانية المهيمنة:

$$PSD(f) \propto f^{-\beta}$$

ومن ميل الخط المستقيم ($\beta$) نحصل على البعد الكسري ($D_f$) وأُس هيرست ($H$):

$$H = \frac{\beta – 2}{2} \quad , \quad D_f = 3 – H$$

خامساً: آلية النمو (Growth Mechanism – HHCF)

دالة ارتباط الارتفاع (HHCF) تدرس كيفية نمو الأغشية الرقيقة عبر مسافات مختلفة ($r$):

$$H(r) = \langle (Z(x+r, y) – Z(x, y))^2 \rangle \propto r^{2\alpha}$$

حيث $\alpha$ يمثل أُس الخشونة.

سادساً: مورفولوجيا الحبيبات (Watershed Segmentation)

يتم فصل الحبيبات النانوية وعدها وحساب القطر المكافئ (Equivalent Diameter) لكل حبيبة:

$$d = 2 \sqrt{\frac{Area}{\pi}}$$

محمد بن سعد الميلبي محمد بن سعد الميلبي11/08/2025
0 153 3 دقائق
اظهر المزيد
محمد بن سعد الميلبي

محمد بن سعد الميلبي

مؤسس مبادرة معامل الفيزياء، فني مختبر - كلية العلوم | فيزياء

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى