[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一种晶体学图像处理方法，利用高对称性校准样品获得的点扩散函数（PSF），校正扫描探针显微镜（SPM）图像中的畸变。通过利用已知的平面群对称性，该方法实现了SPM图像的对称化处理——以石墨上氟化钴酞菁单层为例进行验证——从而在无需事先了解探针几何形状的情况下，提升图像的分辨率和准确性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种校正扫描探针显微镜（SPM）成像畸变的方法，此类畸变源于探针几何形状不完美及仪器伪影。
• 在相同实验条件下，从高度对称的校准样品中提取显微镜的点扩散函数（PSF）。
• 对未知样品的SPM图像应用晶体学对称操作，以提升分辨率并消除畸变影响。
• 通过周期性表面结构的平面群对称性先验知识，证明SPM图像对称化的可行性。
• 通过模拟和石墨上氟化钴酞菁分子的实验STM数据验证该方法。

提出的方法

• 该方法利用从高对称性校准样品中提取的显微镜点扩散函数（PSF），对成像畸变进行建模。
• 晶体学图像处理基于周期性结构的已知平面群，应用对称操作以校正图像畸变。
• 从具有已知高对称性的SPM图像（如分子规则阵列）中提取PSF。
• 在相同实验条件下，将基于对称性的校正方法应用于未知SPM图像，以恢复真实的结构特征。
• 通过模拟概念性验证该方法，尤其针对具有电子轨道尺度特征的多小探针STM探针。
• 该方法假设PSF在相似成像条件下保持不变，从而实现校正参数的传递。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶体学图像处理能否有效校正因非理想扫描探针导致的SPM图像畸变？
• RQ2 在多大程度上可从对称校准样品中提取SPM系统的点扩散函数？
• RQ3 基于对称性的图像处理在多大程度上可提升周期性纳米结构SPM图像的分辨率和准确性？
• RQ4 该方法能否应用于复杂探针几何形状，如具有原子尺度多小探针的结构？
• RQ5 对平面群对称性的先验知识对SPM图像重建保真度有何影响？

主要发现

• 晶体学图像处理方法通过利用从校准样品中提取的点扩散函数，成功减少了SPM图像中的成像畸变。
• 从对称校准样品中提取的PSF可准确校正相同实验条件下记录的未知样品SPM图像。
• 对石墨上氟化钴酞菁分子的STM图像进行对称化处理，成功恢复了与已知分子对称性一致的结构特征。
• 模拟结果证实，该方法能有效校正多小探针扫描探针引入的畸变，尤其在原子尺度特征下表现良好。
• 该方法可在无需详细了解探针原子结构的情况下实现分辨率提升。
• 在PSF于相似实验条件下保持稳定的假设下，该方法具有鲁棒性。