后处理算法驱动常规扫描隧道显微镜在快速扫描率

文摘

我们提出一个图像后处理扫描隧道显微镜(STM)框架来减少强烈的寄生振荡和扫描线噪声快的扫描速度和保护功能,允许一个数量级提高扫描速率没有升级硬件。该方法包括两个步骤对大规模图像和四个步骤对原子尺度的图像。对于大规模的图像,我们第一次申请每一行一个图像配准方法一致向前和向后扫描相同的行。在第二步中我们应用“橡皮筋”模式解决小说约束自适应和迭代滤波算法(CIAFA)。数值结果测量从铜(111)表面上注明处理图像获得的可比数据的准确性与扫描速率缓慢,但是是免费的扫描漂移误差中常见慢扫描数据。对于原子尺度的图像,一个额外的第一步去除逐行强背景波动和排名第四步取代位图像的映射作为最后的原子分辨率图像是必需的。由此产生的图像恢复点阵图像中几乎检测不到原来的快速扫描数据。

1。介绍

扫描隧道显微镜(STM)的发明彻底改变了纳米和原子尺度表面结构和性质的研究(1,2]。然而,STM很少被认为是一个实时的方法由于其扫描速度缓慢而具活力的过程在一个表面上(3]。这严重地限制其应用的研究大多数动态过程等表面表面扩散、相变、自组装现象,薄膜生长和蚀刻、化学反应和分子构象的变化。提高扫描速率扫描探针的客观的研究在过去几十年3- - - - - -5),与大部分的努力专注于硬件的改进。另一方面,研究人员还应用于其他技术利用传统的慢扫描STM研究动态过程。例如,低频动态行为的一个灵活的独立的石墨烯片使用聪明的后处理研究[6]。

STM测量的常见的做法是将尖端接近样品表面和应用之间的电压偏差来生成一个隧道电流提示和示例。技巧是穿过样本(在平行于表面飞机)。表面高度的变化或密度的状态导致隧穿电流的变化。当前关于位置的变化可以测量本身,或者提示对应的高度恒定电流可以被测量。这两种模式被称为常数高度模式和恒流模式,分别。在恒流模式下,反馈电子调整高度由压电电压高度控制机制。在恒定的高度模式下,电压和高度都保持不变,而电流变化防止结电压变化。恒流模式通常用于STM因为表面特征很容易超过一个预定义的tip-sample分离(通常4 - 7),可以在恒定的高度模式。但是恒流模式是缓慢的,由于压电运动所需的更多的时间登记高度变化。每个像素的时间来完成一个测量位置是2毫秒为典型的设备和方法0.1毫秒为其设置(3- - - - - -5]。

常规扫描隧道显微镜的扫描速度有限,因为电路的响应时间和压电组件用于控制探针的运动。的控制技巧的运动需要一个电反馈电路可以产生共振的频率10 kHz的顺序。如果扫描速度太快大噪声图像中出现的形式空间振荡(图1)。然而,低于临界扫描速度由共振频率,这样的噪音通常出现不同的扫描和落后的。因此,你可以设计一个算法,利用向前和向后扫描之间的差异消除振荡的噪音图像,从而允许更快的扫描。

原子分辨率的图像,错误由于快速扫描速率似乎大强度扫描线之间波动,如图1 (c)和1 (d)。这些大波动可能造成的“软”的崩溃,一个不可避免的问题,当扫描速率驱动比反馈电路的响应速度快。然而,每次提示崩溃后,原子特性保持但强度不同的背景。因此需要一个有效的背景去除过程之前,向前和向后扫描图像可以组合获得一个最优的结果。

演示了该方法的有效性在地形数据从一个单晶铜(111)表面。铜表面原子分辨率STM研究是一个典型的平台上电子散射(7,纳米结构的合成8,9),和催化行为10]。快速扫描将允许在铜表面暴露的动态过程,如分子自组装(11)、表面扩散(12),和化学反应13]。我们将表明,使用本文提出的算法处理后获得的地形图像从一个快速扫描速率0.1毫秒的每像素(有效的扫描速度μ 秒的扫描区域 纳米²)近场图像的质量相同的样本2毫秒的慢扫描速度每像素也消除了扫描漂移明显的慢扫描图像(图2)。对于原子分辨率的数据,我们的方法可以大大提高慢扫描数据(图的准确性3原子图像(图)和恢复4)从一个快速扫描数据与扫描速率也在0.1毫秒每像素(有效的扫描速度纳米秒的扫描区域 纳米²)原始图像被噪声和崩溃条纹(见图1)。

本文的组织结构如下:我们介绍我们的背景去除方法部分2。1和信号登记2。2,其次是提出的信号恢复方法部分2。3和原子图像提取方法2。4。的描述STM实验设置中,样品制备,结果我们的方法应用于一个数据集与扫描速度快和比较数据与扫描速度慢了3。结论给出了部分4。

2。方法

2.1。逐行背景去除

原子分辨率的图像强度波动严重降低了图像质量,阻碍登记和图像恢复方法,稍后我们将适用。因为从一个扫描线图像强度变化强烈,但保持几乎不变长段在每一行,这种波动可以为每个扫描线作为背景。因此,原子分辨率的图像处理的第一步是删除这个背景逐行地。

向前和向后扫描为代表 和 ,分别。考虑的一个图片,说 ,谁的线是由 。背景是缓慢变化的函数。我们希望消除背景和快速变化的特征。为了达到这个目标,我们估计的价值背景点 , ,通过加权线性最小均方适合线为中心的一段长度为 : 在哪里 重量 是减少噪声数据的影响。这是一个健壮的最小均方符合数值有效替代品。修正后的图像是由 为每一个 。我们发现数值 。这意味着平均修正图像强度接近于零。这消除了大部分的背景和将所有线相同的强度(接近于零)。

一个额外的小改进后台删除过程是删除两条边的小残坡通过拟合线两端的一小部分的线性与斜坡背景大小相同,但方向相反(这两条线中间满足在相同的高度)和删除此背景下从相应的部分。这个步骤使强度更统一整个线。

的价值是由寻找最大相关系数图像配准后,这一过程我们将在下面描述。

背景去除步骤使用线性回归的效果使随后的两个步骤进行生产图4(一)这一步,而没有以下两部分中描述的步骤是无效的过程图的原始图像1由于巨大的噪音。

2.2。图像配准

我们的目标是将数据从向前和向后扫描来获得一个更精确的图像。因为总有一个小登记区别向前和向后扫描,未处理的数据的一个简单的组合(例如,一个简单的平均值)将产生模糊图像(图5(一个))。事实上,向前和向后扫描之间的差异是大附近的特性在图像(图6(一))。因此有必要第一场比赛前两个扫描通过图像配准的过程相结合。

图像配准的方法是使用明显改善(14]。主要的差异是我们现在使用一个新的全球注册方法不同于一个用于(14),我们不再使用一个基于变形的当地的注册方法。后者往往锁定噪音因此放大噪声的影响。

虽然图像是二维的,数据是逐行地收购。因此,图像配准方法分别应用于每一行的向前和向后扫描,和 。在登记过程中,每一对对应的台词和是由一条线调整转向最小化他们的区别。行计算的转变th行和 ,这是由 和 分别为一个最小化问题。目标是找到一个常数 ,这样 是接近 越好。在[14),条件表示为以下模型: 小的搜索空间在实践中让一个通过启发式搜索来解决这个最小化。然而,这种方法容易受到噪音,尤其是对原子分辨率数据中噪声信号的存在可能有相同的原子大小的图像。因此我们需要一个更健壮的图像配准方法。

改进的方法是将数据集的一对和作为线性相关数据和找到常数这样,相关系数最大化: 在哪里 和 ,在每一行的数量分,表示的二次均值 。

图像配准的好处是图中清晰可见5 (b),这显示了简单的平均数据保持一致和 。平均图像相比,图要激烈的多5(一个)。对齐图像之间的差异, 如图6(一)相比,也大大减少了未加工的数据(图6 (b))。不过,即使有了一致的数据,寄生振荡仍然存在。事实上,在最好的情况下,一个简单的平均只会减少大约一半的寄生振荡。一个更好的算法需要消除这些振荡,当我们将下一个。

2.3。图像恢复

使用一致向前扫描和向后扫描 ,我们希望找到一个近似图像尽可能接近真实的形象越好。我们的主要目的是消除图像中噪声和杂散信号,同时保持图像中所有功能。我们认为任何功能,只存在于一个(向前或向后)扫描但并不像伪匹配其他扫描,必须删除。删除这样的杂散信号,我们提出一个“橡皮筋”模式,在“橡皮筋”之间插入两个扫描信号的曲线和拉紧,如图7。“橡皮筋”曲线是最密切的最终图像代表了真正的信号。在数学上,让表示一行而和代表相应的行和 。相关的模型是由这条线 该模型可以有效地解决重复平滑信号之间插入两条曲线和通过限制信号过滤,保持设定的过滤值范围内和直到收敛。解决方案的存在是保证向前和向后扫描的平均值满足约束,我们使用它作为初始候选信号。过滤过程,每个点在直线上的价值是被两个最近的邻国的平均值,受到的约束,它是有界的和 。中描述的算法是算法1。

在算法1的符号 代表了二维矩阵的行和运营商和生成向量element-wise最小或最大价值的两个输入向量,分别。

2.4。建设排名地图

上述前三个后处理步骤在原子分辨率快速扫描数据产生图像清晰地显示表面晶格结构,如图4(一)。然而,这形象,像大多数原子分辨率STM图像,同时包含原子位置和地形表面的信息。后者往往阻碍原子位置的可见性。如果地形信息被丢弃,然后可以获得更高质量的图像仅包含原子的位置。在本节中,我们将描述这样一个算法。

这个算法的第一部分是删除所有大规模地形信息,同时保留当地的高度信息,需要区分原子。为了达到这个目标,我们表示广场组成的 像素集中在 和定义一个排序功能 为 在如下:如果 是最小的一个在所有 为 ,定义 。然后,我们替换 通过 。显然,我们有 这将确保整个地图是介于0和之间 。最好的价值覆盖像素的数量超过1 - 2原子的距离。

这种方式获得的排名地图是一个衣衫褴褛的形象。我们应用二维中值滤波15)获得一个平滑的图像。

使用排名地图功能增强的想法可以被视为反向的平滑技术,如中值滤波为基础的排名。然而这里给出的排名映射算法的独特之处在于,它不仅利用排名来帮助确定图像强度的中值滤波方法。地图的排名方法,最终的图像强度排名本身,和原始图像被丢弃后排名地图构造。

3所示。实验装置和结果

建立算法的有效性,它是测试STM的地形扫描一个干净的铜(111)单晶表面在室温(299 K)使用钨提示下常规扫描速度(大约2微秒/数据点)以及扫描速度快0.1毫秒的每个数据点与多个扫描样品表面的同一地区。STM扫描是通过使用一个变量温度STM(买卖)Nanonis(规格)控制器恒流模式。清洁铜(111)单晶制备周期的基于“增大化现实”技术+溅射和postannealing (550°C)在超高真空条件下( 托)。电化学蚀刻钨小费由原位电子轰击加热打扫干净了。

正如前面已经讨论过的,原始的未经加工的地形数据快速扫描扫描速率为0.1毫秒每像素数据所示1(一)和1 (b)。我们可以看到,这两个原始向前扫描和向后扫描遭受重大的模式噪声不同,制造噪音消除可能通过结合两个图像。平均和原始之间的差异向前和向后扫描和图像配准后对齐的数据所示5和6。实验上的图像修复算法的效果图像如图8选择了三行数据。最后纠正图像相比,一组STM和慢扫描速率扫描在同一表面图2。

对于原子分辨率快速扫描数据,原始图像数据1 (c)和1 (d)被噪声和没有可观测的原子结构。最终的图像(图处理4 (b)),然而,显然显示表面晶格结构。甚至可以看到大量的晶格应变和障碍由于邻近的一大缺陷。

4所示。结论

我们演示了一个算法,可以大大减少噪音和错误的STM图像结合向前和向后扫描数据逐行地。这使我们能够推动传统的STM设置的扫描速率超出其正常的限制,快10倍。一个数量级提高扫描速率将大大减少系统误差,例如扫描、环境噪声和漂移还将提高研究效率。此外,增加代表了第一步的目标的动态过程进行实时观测STM的表面。

使用排名地图作为原子分辨率图像,描述在这工作,是一个通用后处理算法之外的STM图像快速扫描。任何阻碍重要表面拓扑变化的图像可以被这个算法产生尖锐,原子解析结果。这个算法也是有用的替代方法来提高图像的特性,可以作为一个通用的工具在图像处理技术。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

李郝张和Xianqi贡献同样这项工作。

确认

李郝张和Xianqi佛罗里达大学信息学研究所支持的部分种子基金;陈Yunmei部分支持的NSF资助dms - 1319050。本研究的实验部分得到了实验室指导橡树岭国家实验室的研究和发展项目,由UT-Battelle管理,为美国能源部LLC。

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