一种扫描探针显微镜的无畸变扫描方法

1.本发明属于扫描探针显微镜技术领域，具体涉及一种扫描探针显微镜的无畸变扫描方法。


背景技术：

2.扫描型探针显微镜(spm)是使用探针扫描样品而得到试样表面的信息的扫描型显微镜，是扫描型隧道显微镜(stm)、原子力显微镜(afm)、扫描型磁力显微镜(mfm)、扫描型电容量显微镜(scam)、扫描型近场光学显微镜(snom)、扫描型热显微镜(sthm)等多种显微镜的总称。将多种扫描显微镜统称为扫描探针显微镜是因为其在结构上相似性：
3.1.扫描探针显微镜都需要一个精细的步进马达，其作用是精确的控制扫描头和探针抵达试样表面。
4.2.扫描探针显微镜都需要一个扫描头，该扫描头通常由压电管制成，其作用是携带控制探针在xy平面内移动扫描，探测试样表面信息。
5.由于扫描头通常由扫描管组成，而扫面管在形变扫描过程中会不可避免的出现多种方式的畸变和非正交性，具体包括：
6.1.扫描管是通过施加电压产生弯曲，从而在试样表面进行扫描。但加压弯曲导致其难以在单方向做匀速运动，导致扫描的图像产生畸变。
7.2.扫描管在制作过程和电极分割时，会产生随机的不均匀性，从而导致扫描管x和y方向非正交，引起图像畸变。
8.3.扫描过程中的蠕变、应力释放、热漂移等会导致探针和样品之间存在缓慢位移，导致图像朝着某一个方向漂移从而产生畸变。
9.在实际扫描过程中，由于扫描图像范围通常都不大(微米量级)，因此前两种原因产生的畸变并不明显，甚至可以忽略不计。但第三种原因导致的畸变却严重影响使用者对图像的认知(比如对于未知样品，由于漂移的存在，导致扫描得到的原子排列并不是真实的原子排列)。
10.现有的一种常见的畸变消除方法是：先对显微镜进行标定，即先扫描已知形貌的样品，然后通过扫描得到的形貌和真实形貌比对测定出显微镜的漂移速度，然后再测定未知样品形貌，通过测定的漂移速度去除畸变。但这种方式存在明显的缺陷：
11.1.标定显微镜需要更换样品。
12.2.不同环境下，显微镜的漂移是不一样的，所以需要多次标定。
13.3.漂移也可能是时间的函数，因此需要隔一段时间就重新标定一次。
14.4.扫描标定样品和扫描未知样品的漂移未必一致(即样品本身可能存在蠕变、应力释放等漂移)。
15.另外还有一种不需要标定的去畸变方法，如这篇文章述：junting wang,jihui wang,yubin hou and qingyou lu,self-manifestation and universal correction of image distortion in scanning tunneling microscopy with spiral scan,
rev.sci.instrum.81,073705(2010)，该文章提出了一种螺旋扫描的方式代替传统的逐行扫描，然后通过软件矫正得出真实原子空间排布。如图1-2所示，图1为扫描原图，明显存在畸变，图中标记的六边形表示变形后的石墨原子晶格(如果扫描图无变形则此六边形应为正六边形)，图2为经过矫正后的图片，其中a,b两点分别对应原图与校正后图像的起始点。
16.从图1中可以看出，图像中左下方的原子要明显比右上方原子更大，表面整个图像在向左下角漂移，导致原本应该笔直的原子行出现了弯曲，后期通过将弯曲的原子行拉直实现图像矫正。
17.该种方法虽然可以将漂移问题解决，但方法仍存在一定问题：
18.1.实际样品往往为方形，这样螺线扫描会遗漏样品边缘区域。
19.2.螺线扫描控制信号较为复杂，后期矫正处理也同样复杂。


技术实现要素：

20.为了解决上述因为探针与样品之间相对漂移而造成spm图像的畸变的问题，提出了一种扫描探针显微镜的无畸变扫描方法。
21.本发明公开了一种扫描探针显微镜的无畸变扫描方法，该方法包括以下步骤：
22.步骤一、对样品进行逐行扫描，扫描速度设置为v
n 1
＝xvn，x是速度变化的系数，设置为不等于1的正数，vn是第n行的扫描速度，即下一行的扫描速度为上一行的x倍，执行步骤二；或者
23.将样品的扫描区域横向分割为两部分，区域一s1和区域二s2，区域一s1扫描速度恒定为v1，区域二s2扫描速度恒定为v2，其中v1大于v2，v1大于20行每秒，v2根据场合需求正常速度扫描即可，区域一s1面积占整个扫描区域的1/10-1/5，执行步骤四；
24.步骤二、扫描得到变速扫描图，观察原子间距的纵向分量是否相等，若相等，则将变速扫描图作为中间扫描图，若不相等，则对变速扫描图进行纵向矫正后得到中间扫描图，执行步骤三；
25.步骤三、判断是否存在横向漂移，若不存在横向漂移，将中间扫描图作为矫正后的图像，若弯曲，若存在横向漂移，则将中间扫描图横向矫正后得到矫正后的图像，矫正后的图像即为最终的无畸变图像，结束；
26.步骤四、观察区域二s2中原子间距的纵向分量是否与区域一s1中的相等，若相等，则将扫描图中区域二s2部分的扫描图像作为中间扫描图，若不相等，则对s2区域图像纵向矫正后得到中间扫描图，执行步骤五；
27.步骤五、观察区域二s2中原子行是否弯曲，若不弯曲，则将中间扫描图作为矫正后的图像，若弯曲，则将中间扫描图横向矫正后得到矫正后的图像，矫正后的图像即为最终的无畸变图像，结束。
28.进一步地，所述步骤二中，若原子间距的纵向分量不相等，则以纵向分量中的最小值为基准进行纵向矫正。
29.进一步地，所述步骤三中，判断是否存在横向漂移时，观察原子行是否弯曲，若不存在弯曲，则不存在横向漂移，若存在弯曲，则存在横向漂移，以原子行弧线扫描时速度最快的点做切线，将整个图像从弧线拉伸为切线。
30.进一步地，所述步骤四中，以区域一s1的扫描图像中的纵向分量为基准，矫正区域
二s2的扫描图像；
31.进一步地，所述步骤五中，以区域一s1的扫描图像中的原子行直线l1为基准，将区域二s2的扫描图像中的原子行直线l2拉伸为与l1平行，去除横向畸变本发明的扫描方法中，其变速扫描或差速扫描的方法依然保留传统的逐行扫描方式，通过变速扫描的方法实现漂移过程中原子行的弯曲，从而矫正扫描图像。该方法摒弃了复杂的螺旋扫描方式，控制信号更加简单，扫描方式更加多样，后期矫正也更加方便。
32.相对于传统标定显微镜的方式，其优点为：
33.不需要显微镜标定，不需要更换样品，只需要一次性扫描完成，后期就可以对图像去除畸变。
34.对于不同环境(如温度不同、磁场不同等)，显微镜漂移速度也不同，本发明也只需要一次性扫描成像即可。
35.对于不同样品存在的不同漂移(如样品粘接时的应力释放、蠕变等不同)，传统的标定方式无能为力，但本发明依旧可以解决。
36.对于螺线扫描去除畸变的方式，本发明的优点为：
37.实际样品往往为方形，螺线扫描会丢失样品边缘信息，有时候边缘信息反而更为重要。本发明扫描范围依旧为方形，样品信息更为完整。
38.螺线扫描控制信号较为复杂，后期矫正处理也同样复杂。相比之下，本发明的扫描方法的几种控制信号都会简单很多。
附图说明
39.图1为螺旋扫描的方式的扫描原图。
40.图2为螺旋扫描的方式的矫正后的图片，图中a，b两点分别对应原图与校正后图像的起始点。
41.图3为样品的真实原子排布图，呈现正六边形。
42.图4为扫描过程中(自上而下逐行扫描)存在漂移的情况示意图，图中所示为向左漂移。
43.图5为扫描过程中(自上而下逐行扫描)存在漂移的情况示意图，图中所示为向下漂移。
44.图6为扫描过程中(自上而下逐行扫描)存在漂移的情况示意图，图中所示为向左下漂移。
45.图7为实施例一扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左漂移。
46.图8为实施例一扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向下漂移。
47.图9为实施例一扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左下漂移。
48.图10为实施例一扫描只有横向漂移的图像做切线示意图。
49.图11为图10从弧线拉伸为切线后的图像。
50.图12为实施例二扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左漂移。
51.图13为实施例二扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向下漂移。
52.图14为实施例二扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左下漂移。
53.图15为实施例二只有横向漂移的图像做切线示意图。
54.图16为图15从弧线拉伸为切线后的图像。
55.图17为实施例三扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左漂移。
56.图18为实施例三扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向下漂移。
57.图19为实施例三扫描得到的原子图像排布图，图中所示为向左下漂移。
58.图20为实施例五回型扫描得到的图像和回型扫描路径，图中扫描方向为从中心位置向外围扫描。
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.如上所述，spm传统的逐行扫描方式存在漂移的问题。如图3所示为某样品实际的表面原子排列顺序，假设其为正六边形排布。
61.图4-6为扫描过程中存在漂移的情况，箭头所示为样品相对于探针的漂移方向且漂移速度恒定，六边形为畸变后的原子排布。但从图4-6发现，漂移后原子仍然呈现行状排列，即观察者根本不会发现图像存漂移。假设我们不知道样品的真实原子排布，就会本能的认为扫描得到的结果就是真实排布，也不会有任何办法将图像去除畸变，还原回真实图像。
62.然而，无论是何种方向的漂移，漂移的速度是基本恒定的，若在扫描过程中采用变速扫描，例如逐渐加快或者减慢扫描速度，那么漂移对不同扫描速度就会产生不同的影响，原子行因此产生弯曲，而周期性晶体结构的原子排列一定是直线的，后期就可以通过修正原子行达到消除畸变的目的。
63.实施例一：
64.减速扫描
65.图7-9为减速扫描得到的原子图像排布，即第一行扫描速度最快，第二行扫描速度是第一行的x倍(x》1，例如1.1)，第三行的扫描速度是是第二行的x倍，以此类推。后一行的速度一直为前一行的x倍。图4中箭头所示为样品相对于探针的漂移方向且漂移速度恒定，由于在扫描过程中，扫描越快，漂移越小，因此得到了图4中的图像，原子行出现弯曲。
66.后期去除畸变分为两步：
67.1.如果存在原子行间距逐渐变大的情况，则说明纵方向存在漂移。将前两行原子间距作为基准，下面的原子行间距修正为与其相同的间距。
68.在图7中不存在纵向漂移，原子行横向间距始终一致，不需要第一步修正。图8仅存在纵向漂移，经过第一步修正后，图像会还原为原图(即图3)，原子行也不会再出现弯曲。图9中既存在纵向漂移也存在横向漂移，经过第一步修正后，图像会变为仅存在横向漂移，即类似于图7的情况。
69.2.完成第一步后，即去除了纵向漂移的影响。这时如果原子行出现弯曲，说明还存在横向漂移，如图7所示。第二步就是去除横向漂移。此时以原子行弧线最顶端的点做切线(如图10-11虚线所示)，将整个图像从弧线拉伸为切线，既可以完成第二步矫正，图像恢复为图3的样子。图10为只有横向漂移的图像，图11为经过第二步去除畸变后的图像，恢复正
六边形排布。
70.实施例二：
71.将实施方式一中的减速扫描改为加速扫描。即第一行扫描速度最慢，第二行扫描速度是第一行的x倍(x《1，例如0.9)，第三行的扫描速度是是第二行的x倍，以此类推。后一行的速度一直为前一行的x倍。图12-14中箭头所示为样品相对于探针的漂移方向且漂移速度恒定，由于在扫描过程中，扫描越快，漂移越小，因此得到了图12-14中的图像，原子行出现弯曲。
72.后期去除畸变分为两步：
73.1.如果存在原子行间距逐渐变小的情况，则说明纵方向存在漂移。将最后两行原子间距作为基准，上面的原子行间距修正为与其相同的间距。
74.在图12中不存在纵向漂移，原子行横向间距始终一致，不需要第一步修正。图13仅存在纵向漂移，经过第一步修正后，图像会还原为原图(图3)，原子行也不会再出现弯曲。图14中既存在纵向漂移也存在横向漂移，经过第一步修正后，图像会变为仅存在横向漂移，即类似于图12的情况。
75.2.完成第一步后，即去除了纵向漂移的影响。这时如果原子行出现弯曲，说明还存在横向漂移，如图12所示。第二步就是去除横向漂移。此时以原子行弧线最底端的点做切线(如图15-16虚线所示)，将整个图像从弧线拉伸为切线，既可以完成第二步矫正，图像恢复为图3的样子。图15为只有横向漂移的图像，图16为经过第二步去除畸变后的图像，恢复正六边形排布。
76.实施例三：
77.在实际扫描过程中，漂移速度并不快，只要扫描速度远大于漂移速度，漂移对于图像畸变的影响就可以忽略不计。但是，扫描速度过快会导致图像不清晰，扫描速度慢虽然可以得到清晰图像，但是存在漂移。因此图像畸变和图像清晰度是一对矛盾体。
78.为此，我们可以采用先快后慢的扫描方式。如图17-19所示，箭头所示为样品相对于探针的漂移方向且漂移速度恒定。虚线框内为快扫(扫描速度为v1不变，该速度远大于漂移速度)，图像不清晰但是畸变可以忽略；虚线框外为慢扫(扫描速度为v2不变)，本实施例中“慢扫”是相对于虚线框内扫描速度(v1》20行/秒)而言的，实施时v2采用常规速度扫描即可，慢扫图像清晰但是畸变明显。
79.这种扫描方式的优点为不需要每行都变速，整幅图只需要采用两种扫描速度。后期分析只采用虚线框外的图像，图像更为清晰稳定。
80.后期去除畸变同样分两步进行：
81.1.第一步去除纵向畸变。以快扫得到的原子行间距d1为基准，将慢扫图像中的原子行间距d2压缩为d1,从而去除纵向畸变。
82.2.第二步去除横向畸变。以快扫得到的原子行直线l1为基准，将慢扫图像中的原子行直线l2拉伸为与l1平行，从而去除横向畸变。
83.去除畸变以后，我们使用慢扫部分图像作为最终输出图像进行分析，快扫部分摒弃。因此最终的图像既清晰又无畸变。
84.实施例四：
85.在实施方式三的基础上，改为先进行慢扫，后进行快扫。其余不变。
86.实施例五：
87.采用回型扫描，扫描线速度始终为v1不变，且v1不需要很快。如图20所示，显示了回型扫描得到的图像和回型扫描路径，箭头所示为样品相对于探针的漂移方向，右图为扫描路径示意图，扫描线速度保持v1不变。回型扫描路径也可以从外圈向内进行。
88.由于扫描线速度不变，因此图像中心原子会在较短时间内扫描得到，畸变可以忽略不计。而越往图像外围扩展，扫描得到的原子图像就会越慢，畸变就越严重。因此得到如图所示畸变，原子行呈现弧度。我们后期只要以最中心的几个原子排布作为基准，将图像其余部分进行矫正即可。(类似于螺线扫描，但控制信号更加简单)。
89.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。