[論文レビュー] Correcting nonlinear drift distortion of scanning probe microscopy from image pairs with orthogonal scan directions

Colin Ophus, Christopher T. Nelson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2015

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、2つの直交スキャン画像のみを用いて、走査型プローブ顕微鏡における非線形ドリフト歪みを補正する手法を提示する。強度差に基づいて直交スキャン間でスキャンラインを繰り返し整列させ、フーリエ重み付きカーネル密度推定を適用することで、線形および非線形アーティファクトを効果的に除去し、画像の忠実度を著しく向上させ、サンプルの特徴に関する事前知識が不要な状態で、歪みのないひずみおよび原子格子位置の測定を可能にする。

ABSTRACT

Unwanted motion of the probe with respect to the sample is a ubiquitous problem in scanning probe microscopy, causing both linear and nonlinear artifacts in experimental images. We have designed a procedure to correct these artifacts by using orthogonal scan pairs to align each measurement line-by-line along the slow scan direction. We demonstrate the accuracy of our algorithm on both synthetic and experimental data and provide an implementation of our method.

研究の動機と目的

• 走査型プローブ顕微鏡における画像精度を低下させる非線形ドリフト歪みを是正すること。
• 電子線被曝量と取得時間の最小化を目的とした、2つの直交スキャン画像のみを必要とするドリフト補正手法の開発。
• 格子ひずみおよび格子位置データに歪みを引き起こすアーティファクトを除去することで、原子スケールでの正確な測定を可能にすること。
• 多様なSPM実験に適用可能な汎用的で特徴に依存しない補正アルゴリズムを提供すること。

提案手法

• スキャンの遅い方向におけるスキャンラインの原点のドリフトを、2つの直交スキャン画像（例：ほぼ水平およびほぼ垂直）を用いて検出・補正する。
• 現在のスキャンと直交方向からの基準画像間の絶対的強度差を最小化する繰り返しライン単位の整列手順を適用する。
• 滑らかで不連続性のない画像データの再サンプリングと補間を実現するため、ガウスカーネル（σ ≈ 0.5ピクセル）を用いたカーネル密度推定（KDE）を採用する。
• 特に高周波数領域において残留誤差を低減するため、フーリエ重み付け方式を組み込む。
• 再サンプリング中の強度精度を保持するため、KDE中にピクセルを双一次補間で重み付けする。
• 原子格子位置の2次元ガウスフィッティングおよび変位場の数値微分を用いて、変位およびひずみマップを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 走査型プローブ顕微鏡における非線形ドリフト歪みは、サンプル構造に関する事前知識がなく、2つの直交スキャン画像のみを用いて補正可能か？
• RQ2 提示された繰り返し整列手法は、実際および合成されたSPMデータにおいて、線形および非線形アーティファクトの両方をどれほど効果的に低減できるか？
• RQ3 補正処理が、原子格子位置および格子ひずみ測定の正確性をどの程度向上させるか？
• RQ4 ストライプ状のアーティファクト（例：ひずみマップに現れる縞模様）を含むドリフト由来の歪みを除去しながら、複雑な構造信号を保持できるか？

主な発見

• アルゴリズムは、モアレ構造を有する複雑なペロブスカイト構造を含む、合成および実験的データセットにおいて非線形ドリフト歪みを効果的に除去した。
• ドリフト補正済みのひずみマップには、元の画像が顕著な歪みを示すのに対し、遅いスキャン方向に長いストライプ状のアーティファクトが見られなかった。
• 補正済み画像では原子格子位置測定の忠実度が高く、理想的な格子位置からのずれが著しく減少した。
• 本手法は2つのスキャンのみを要するため、電子線感受性材料に適しており、被曝量と取得時間を最小限に抑えることができる。
• フーリエ重み付けとKDEにより、滑らかで連続的な変位およびひずみ場が得られ、信頼性の高い数値微分が可能になった。
• アルゴリズムは、補正済み画像において正確なひずみ場測定が可能であることを示しており、未補正データが誤ったアーティファクトを示すのとは対照的である。