[論文レビュー] Crystallographic image processing for scanning probe microscopy

Peter Moeck|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高対称性のキャリブレーション試料から導出されたポイントスプレッド関数（PSF）を用いて、走査プローブ顕微鏡（SPM）画像の歪みを補正する結晶学的画像処理手法を提案する。既知の平面群対称性を活用することで、SPM画像の対称化が可能となり、これはグラファイト上のフルオリネーテッドコバルトフタロシアニン単層を用いて実証された。この手法により、チルの幾何学的形状に関する事前知識が不要なまま、分解能と正確性が向上する。

ABSTRACT

Scanning probe microscopy (SPM) images of regularly arranged spatially periodic objects can be processed crystallographically. The resulting information may be used to remove from the SPM image distortions that are due to a less than perfect imaging process. The combined effects of these distortions result in a point spread function that gives a quantitative measure of the performance of the microscope for a certain set of experimental conditions. On the basis of highly symmetric calibration samples, the point spread function of the microscope may be extracted and utilized for the correction of SPM images of unknowns that were recorded under essentially the same experimental conditions. We concentrate in this paper on more theoretical aspects of our method. A blunt scanning tunneling microscopy (STM) tip that consists of multiple mini-tips with electron orbital dimensions may be symmetrized on the basis of prior knowledge on the plane symmetry of a two-dimensional periodic array. This is illustrated with the crystallographic processing of a STM image of a regular array of fluorinated cobalt phthalocyanine molecules on graphite and backed up conceptually by simple simulations.

研究の動機と目的

• 不完全なチル幾何学的形状および機器に起因するアーティファクトに起因する走査プローブ顕微鏡（SPM）画像の歪みを補正する手法を開発すること。
• 同一の実験条件下で、高対称性キャリブレーション試料から顕微鏡のポイントスプレッド関数（PSF）を抽出すること。
• 未知のSPM画像に結晶学的対称性操作を適用して分解能を向上させ、歪みの影響を除去すること。
• 周期的表面構造の平面群対称性に関する事前知識を用いてSPM画像の対称化が可能であることを実証すること。
• フルオリネーテッドコバルトフタロシアニン分子のグラファイト上におけるシミュレーションと実験的STMデータを通じて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 本手法は、高対称性キャリブレーション試料から得られた顕微鏡のポイントスプレッド関数（PSF）を用いて、画像歪みをモデル化する。
• 結晶学的画像処理は、周期的構造の既知の平面群に基づく対称操作を適用して、画像歪みを補正する。
• PSFは、分子の規則的なアレイを有する高対称性キャリブレーション試料のSPM画像から抽出される。
• 同一の実験条件下で記録された未知のSPM画像に、対称性に基づく補正を適用して、真の構造的特徴を回復する。
• シミュレーションを用いて、電子オビタルスケールの特徴を有するマルチミニチルSTMチルに起因する歪みを概念的に検証する。
• 本手法は、PSFが類似した測定条件下で不変であると仮定しており、補正パrameterの移行を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶学的画像処理は、非理想的な走査プローブチルに起因するSPM画像の歪みを効果的に補正できるか？
• RQ2 高対称性キャリブレーション試料からSPMシステムのポイントスプレッド関数（PSF）をどの程度正確に抽出できるか？
• RQ3 対称性に基づく画像処理は、周期的ナノ構造のSPM画像の分解能と正確性をどの程度向上させるか？
• RQ4 本手法は、原子スケールの複数のミニチルを有する複雑なチル幾何学的形状に対しても適用可能か？
• RQ5 平面群対称性に関する事前知識は、SPMにおける画像再構成の忠実度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 結晶学的画像処理手法は、キャリブレーション試料から導出されたポイントスプレッド関数（PSF）を活用することで、SPM画像の歪みを効果的に低減した。
• 高対称性キャリブレーション試料から抽出されたPSFは、同一条件下で記録された未知のSPM画像の正確な補正を可能にした。
• グラファイト上のフルオリネーテッドコバルトフタロシアニン分子のSTM画像の対称化により、既知の分子対称性と整合する構造的特徴が回復された。
• シミュレーションにより、原子スケールの特徴を有するマルチミニチル走査プローブが引き起こす歪みを本手法が効果的に補正できることを確認した。
• 本手法は、チルの原子的構造に関する詳細な知識が不要なまま、分解能の向上を実現した。
• 本手法は、PSFが類似した実験条件下で安定すると仮定すれば、頑健であることが示された。