Елютин Експерименталная физика.Лабораторный практикум 2011

линения одной из ее сторон. Тот же самый принцип используется для задания движения в направлении Y. Смещения в X и Y направлениях пропорциональны приложенному напряжению и квадрату длины трубки. Движение в Z направлении генерируется подачей напряжения на электрод в центре трубки. Это приводит к удлинению всей трубки пропорционально ее длине и приложенному напряжению.

Процесс сканирования поверхности в СЗМ (рис. 41.6) имеет сходство с движением электронного луча по экрану в электроннолучевой трубке телевизора. Зонд движется вдоль линии (строки) сначала в прямом, а потом в обратном направлении (строчная развертка), затем переходит на следующую строку (кадровая развертка). Движение зонда осуществляется с помощью сканера небольшими шагами под действием пилообразных напряжений, подаваемых с генератора развертки (обычно, цифро-аналогового преобразователя). Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе.

К числу основных параметров, выбираемых перед началом сканирования, относятся следующие:

-размер скана;

-число точек на линии NX и линий в скане NY , определяющие

шаг сканирования Δ; - скорость сканирования.

Параметры сканирования выбираются исходя из предварительных данных (размера характерных поверхностных особенностей), которые имеются у исследователя об объекте исследования.

При выборе размера скана необходимо получить наиболее полную информацию о поверхности образца, т.е. отобразить наиболее характерные особенности его поверхности. Например, при сканировании дифракционной решетки с периодом 3 мкм необходимо отобразить хотя бы несколько периодов, т.е. размер скана должен составлять 10 15 мкм. В случае если расположение особенностей на поверхности исследуемого объекта неоднородно, то для достоверной оценки необходимо провести сканирование в нескольких отстоящих друг от друга точках на поверхности образца. При отсутствии информации об объекте исследования сначала, как правило, проводят сканирование в области, близкой к максимально дос-

111

тупной для отображения, с целью получения обзорной информации о характере поверхности. Выбор размера скана при повторном сканировании осуществляют исходя из данных, полученных на обзорном скане.

Рис. 41.6

Число точек сканирования (NX , NY ) выбирается таким образом, чтобы шаг сканирования (расстояние между точками, в которых производится считывание информации о поверхности) был меньше характерных ее особенностей, иначе произойдет потеря части информации, заключенной между точками сканирования. С другой стороны, выбор излишнего количества точек сканирования приведет к увеличению времени получения скана.

Скорость сканирования определяет скорость движения зонда между точками, в которых производится считывание информации. Излишне большая скорость может привести к тому, что система обратной связи не будет успевать отводить зонд от поверхности, что приведет к неправильному воспроизведению вертикальных размеров, а так же к повреждению зонда и поверхности образца. Малая скорость сканирования приведет к увеличению времени получения скана.

112

Изображения поверхности, получаемые с помощью зондовых микроскопов, как правило, имеют общий наклон. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, наклон может появляться вследствие неточной установки образца относительно зонда или неплоскопараллельности образца; во-вторых, он может быть связан с температурным дрейфом, который приводит к смещению зонда относительно образца; в-третьих, он может быть обусловлен нелинейностью перемещений пьезосканера. На отображение наклона тратится большой объем полезного пространства в СЗМ кадре, так что становятся не видны мелкие детали изображения. Для устранения данного недостатка производят операцию вычитания постоянного наклона (левелинга), результаты которой схематично приведены на рис. 41.7.

Рис. 41.7

Помимо этого характерным искажением СЗМ изображений является наличие горизонтальных полос, которые могут быть удалены с помощью медианных фильтров, работающих путем выравнивания средних значений элементов в каждой строке изображения. Это связано с тем, что изображения в СЗМ эксперименте обычно получаются путем построчного сканирования, и время между измерениями в соседних точках одной строки существенно меньше времени между измерениями соседних точек в направлении, перпендикулярном направлению сканирования.

Для анализа и обработки изображения, полученного методом атомно-силовой микроскопии, используется программа Scan Vie-

113

wer, которая автоматически включается в ходе с работы с программой Nanoeducator. Главное окно программы Scan Viewer представлено на рис. 41.8.

Файл СЗМ-данных состоит из одного или нескольких так называемых фреймов. Каждый фрейм является элементарным фрагментом данных, который соответствует СЗМ изображению.

Рис. 41.8

В области анализа одновременно может отображаться до четырех фреймов, переключение между соответствующими режимами выполняется с помощью кнопок, представленных в табл. 41.1.

Таблица 41.1

отображается только один фрейм

отображается не более двух фреймов

114

отображается не более четырех фреймов

В левой части окна программы расположена панель инструментов, описание которой приведено в табл. 41.2.

Таблица 41.2

Внешний вид

Выполняемое или требуемое действие

кнопки

Вернуть исходный масштаб изображения

Переместить видимую область

Увеличить/уменьшить масштаб

Измерить координаты точки

Измерить расстояние между точками

Измерить угол

Установить маркеры

Выделить область прямоугольной области

Изменить контрастность

115

Трехмерное представление данных

Сохранить изображение фрейма в виде графического файла (по умолчанию *.tiff)

Открыть окно «Инспектор просмотра»

Открыть окно экспорта активного фрейма

Удалить выбранные фреймы

Все методы обработки и анализа реализованные в программе Scan Viewer разделены на группы, которые объединяют родственные методы. Список групп и входящих в них методов содержится в двухуровневом дереве методов: первый уровень – названия групп методов, второй уровень – названия методов входящих в группы. Список групп приведен ниже:

-сглаживающие фильтры,

-градиентные фильтры,

-фильтры резкости,

-нелинейные фильтры,

-преобразования изображений,

-сечение,

-статистика,

-вычитание поверхностей,

-Фурье анализ.

Сглаживающие фильтры

Данная группа содержит следующие методы.

Сглаживающие фильтры (сглаживание 3×3 2.0, сглаживание 3×3 1.73, сглаживание 3×3 1.41): применяются для удаления с изображения высокочастотных шумовых всплесков.

Однородные фильтры (однородный 3×3, однородный 5×5): результирующее изображение получается в результате простого ус-

116

реднения по некоторой локальной области, размеры которой 3×3 или 5×5 точек соответственно.

Гауссовы фильтры (гауссов 1.0, гауссов 0.625, гауссов 0.85, гауссов 0.391): является фильтром низких частот.

Градиентные фильтры

Методы этой группы используются для выделения границ объектов, для подчеркивания и усиления локальных неоднородностей, посредством выделения их границ.

Вертикальный фильтр Прюитта выделяет границы объектов,

расположенные в вертикальном направлении. Результат применения данного фильтра показан на рис. 41.9.

Рис. 41.9

Горизонтальный фильтр Прюитта выделяет границы объек-

тов, расположенные в горизонтальном направлении. На рис. 41.10 показан результат применения данного фильтра.

Рис. 41.10

117

шумы в виде «отдельных точек», и в то же время, сохраняют резкость границ. К ним относятся:

Медианный 7×7; Медианный 5×5; Медианный 3×3; Медианный авто.

Результат использования фильтра «Медианный 5×5» представлен на рис. 41.12, на котором слева показано исходное СЗМ изображение, а справа – то же изображение после применения фильтра «Медианный 5×5».

Рис. 41.12

Построение сечения

Методы этой группы позволяют выполнять следующие действия и построения.

Простое сечение – перед применением отмечается отрезок с помощью кнопки «Линейка» (табл. 41.1). Сечение выполняется по отмеченному отрезку, результат использования данного метода показан на рис. 41.13,а.

Сечение с усреднением – перед применением выделяется фрагмент изображения, а его сечение осуществляется слева направо и усредняется по выбранному количеству линий, равномерно расположенных внутри. На рис. 41.13,б представлен результат использования данного метода с коэффициентом усреднения 20.

Анализ сечений – при использовании этого метода открывает окно, в котором выполняется работа с сечениями.

119