4.2. Принципы формирования сзм-изображения
Процесс сканирования поверхности в сканирующем зондовом микроскопе 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, формируемых цифро-аналоговыми преобразователями. Регистрация информации о рельефе поверхности производится, как правило, на прямом проходе (рисунок 19).
Информация, полученная с помощью сканирующего зондового микроскопа, хранится в виде СЗМ кадра - двумерного массива целых чисел aij.
Рисунок 19. Схематическое изображение процесса сканирования
Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая опосредованно измерялась и переводилась в ряд дискретных значений в процессе сканирования.
Визуализация СЗМ кадров производится с помощью средств компьютерной графики в виде двумерных (2D) яркостных и трехмерных (3D) изображений. При 3D визуализации изображение поверхности, соответствующей исходным данным строится в аксонометрической перспективе с помощью пикселей или линий. В дополнение к этому используются различные способы подсвечивания пикселей, соответствующих различной высоте рельефа поверхности. Наиболее эффективным способом раскраски 3D изображений является моделирование условий подсветки поверхности точечным источником, расположенным в некоторой точке пространства над поверхностью. При этом удается подчеркнуть мелкомасштабные неровности рельефа. Также средствами компьютерной обработки и графики реализуются масштабирование и вращение 3D СЗМ изображений.
При 2D визуализации каждой точке поверхности ставится в соответствие цвет. Наиболее широко используются градиентные палитры, в которых раскраска изображения производится тоном определенного цвета в соответствии с высотой точки поверхности.
СЗМ изображения наряду с полезной информацией содержат также побочную информацию, которую следует отбросить. СЗМ изображение, как правило, содержат постоянную составляющую, которая не несет полезной информации о рельефе, а отражает точность подвода зонда. Эта постоянная составляющая устраняется программным способом. Аналогично устраняется и побочная информация о постоянном наклоне образца, который всегда существует и обусловлен несколькими факторами, в число которых входит точность юстировки системы сканирования и способ крепления образца на предметном столике. Программными средствами так же из СЗМ изображения устраняются шумы различной природы.
Одним из недостатков, присущих всем методам сканирующей зондовой микроскопии, является конечный размер рабочей части используемых зондов. Это приводит к существенному ухудшению пространственного разрешения микроскопов и значительным искажениям в СЗМ изображениях при сканировании поверхностей с неровностями рельефа, сравнимыми с характерными размерами рабочей части зонда.
Явление возникновения искажений при сканировании поверхностей с неровностями рельефа, сравнимыми с характерными размерами рабочей части зонда называется конволюцией.
Частично данную проблему позволяют решить развитые в последнее время методы восстановления СЗМ изображений, основанные на компьютерной обработке СЗМ данных с учетом конкретной формы зондов. Наиболее эффективным методом восстановления поверхности является метод численной деконволюции, использующий форму зонда, получаемую экспериментально при сканировании тестовых (с хорошо известным рельефом поверхности) структур (рисунок 20).
В основу деконволюции АСМ-изображений положен численный метод сканирования инвертированным зондом. Сущность методики деконволюции для одномерного случая проиллюстрирована на рис. 21.
Рисунок 20. Калибровочная решетка в виде острых шипов и ее СЗМ-изображение
АСМ-профиль поверхности I(x,y) получают в контактном режиме атомно-силовой микроскопии таким образом, чтобы в процессе сканирования в каждой точке траектории зонд контактировал только с одной точкой поверхности исследуемого объекта. Функция I(x,y) является дискретным двумерным массивом данных, записанным в память управляющего компьютера. Используя программные возможности атомно-силового микроскопа по измерению рельефа нанообъектов вдоль выделенного направления, получают одномерную дискретную функцию поверхности I(i), заданную в некотором интервале ординат [xmin, xmax] и состоящую из N элементов. Расстояние между ячейками в массиве I(i) постоянно и равно dx(I)= xi+1 - xi=(xmax- xmin)/N. Положение системы отсчета Oxy выбирают таким образом, чтобы левая граница интервала [xmin, xmax] лежала в начале координат (xmin=0) и наименьшая точка АСМ-профиля находилась на оси Ox (I(i)min=0).
Профиль АСМ-зонда измерялся на сканирующем электронном микроскопе высокого разрешения. Полученное СЭМ-изображение зонда преобразуют в график функции T(x), масштаб которого согласован с масштабом АСМ-изображения. Функцию T(x) представляют в виде одномерного массива T(i), с шагом между ячейками dx(T), таким что dx(T)=dx(I)=const. Массив T(i) содержит M элементов. Вершина зонда T(i) помещается в начало координат. Инвертированный зонд с вершиной на оси Oy описывается дискретным выражением T0*(i)= -T(i)-C0. Здесь С0 – некоторая положительная константа, выбираемая так, чтобы вершина инвертированного зонда T0*(i) лежала ниже оси Ox
Рисунок 21. Схема деконволюции АСМ-профиля КТ по методу «Одномерной деконволюции»
S – реальный профиль поверхности КТ, T*(i) - профиль инвертированного зонда, I(i) – измеренный АСМ-профиль КТ, Z(i) – профиль поверхности КТ после деконволюции.
выбранной системы отсчета, или иными словами ниже наименьшей точки АСМ-профиля нанообъекта.