[發明專利]一種從靜電力顯微鏡探測圖像中提取表面電勢信號的方法

有效

• 申請號: 201711325080.8
• 申請日: 2017-12-13
• 公開（公告）號: CN108195921B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 許杰;陳宇星;鄭舒林;彭倩;任青穎;李金澤
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G01N27/60
• 分類號: G01N27/60;G01Q60/30;G06F30/23
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐瑩

本發明公開了一種從靜電力顯微鏡探測圖像中提取表面電勢信號的方法，包括：利用靜電力顯微鏡探測試樣表面，獲得試樣的二維靜電力顯微探測圖像；利用格林函數理論和有限元數值計算方法，建立靜電力顯微信號與試樣表面電勢信號之間的定量卷積模型；利用數字信號處理方法對建立定量卷積模型離散化，及利用維納濾波方法對二維靜電力顯微探測圖像反卷積處理獲得頻域空間試樣表面電勢與靜電力顯微信號之間的關系式，并進行二維傅立葉逆變換獲得試樣的表面電勢信號。本發明充分考慮到探針側壁的影響，因此建模更加準確，且具有一定的普遍性，適用于表面電勢信號不隨時間變化的測試對象。

技術領域

本發明涉及一種從靜電力顯微鏡探測圖像中提取表面電勢信號的方法，屬于掃描探針顯微技術的領域。

背景技術

掃描探針顯微技術(SPM)正越來越廣泛地應用于微、納電子材料和器件的表征和檢測之中，利用納米級探針在微觀尺度下探測和分析試樣表面的形貌、電學和磁學等性質。掃描探針顯微技術有許多不同的探測模式，如原子力顯微鏡(AFM)、導電原子力顯微鏡(CAFM)、開爾文探測力顯微鏡(KPFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、磁力顯微鏡(MFM)、掃描擴展電阻顯微鏡(SSRM)和掃描電容顯微鏡(SCM)等。其中靜電力顯微鏡(EFM)探測和分析探針所受的靜電作用力，以此研究試樣表面的電學性質。靜電力顯微鏡能夠探測的試樣種類廣泛，包括金屬、無機或有機半導體甚至是生物制品。在靜電力顯微鏡探測的具體過程中，一般采用兩步掃描方式進行測試：第一步，探針在輕敲模式下間歇式地接觸試樣表面，獲取試樣表面的形貌信息(即原子力模式)；第二步，探針抬起至試樣表面一定距離(一般數十至數百納米)，同時，測試系統通過控制回路向探針施加一固定的直流偏壓(一般數個伏特大小)，這時探針將受到靜電力的作用，進而使探針的固有頻率發生改變，最終反饋系統輸出這一頻率偏移值作為探測信號。根據振動理論，探針固有頻率的變化正比于探針所受力的梯度，因此，靜電力顯微鏡又被認為是對電場的梯度信號進行探測。

但是由于探測過程中作用力的復雜性，制約了人們對靜電力顯微鏡圖像信號的定量分析和研究。首先，探針與試樣間的作用經常被抽象為平行板電容器，這就忽略了探針側壁所受靜電力的影響；其次，試樣表面存在的電荷與探針作用力也常用點電荷模型進行粗略分析，這就大大制約了信號分析的準確性。因此，如何定量地分析探針與試樣間的靜電作用力，進從靜電力顯微鏡圖像中定量和準確地獲知試樣表面的電學信息，就成了一個亟待解決的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種從靜電力顯微鏡探測圖像中提取表面電勢信號的方法，解決現有探測方法中忽略了探針側壁所受靜電力的影響，而如何定量地分析探針與試樣間的靜電作用力，進從靜電力顯微鏡圖像中定量和準確地獲知試樣表面的電學信息的問題。

本發明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

一種從靜電力顯微鏡探測圖像中提取表面電勢信號的方法，包括以下步驟：

步驟1、利用靜電力顯微鏡系統測試樣表面，根據探測的靜電力顯微信號獲得試樣的二維靜電力顯微探測圖像；

步驟2、利用格林函數理論和有限元數值計算方法，建立靜電力顯微信號與試樣表面電勢信號之間的定量卷積模型；

步驟3、利用數字信號處理方法對建立定量卷積模型離散化，及利用維納濾波方法對二維靜電力顯微探測圖像反卷積處理獲得頻域空間試樣表面電勢與靜電力顯微信號之間的關系式，并進行二維傅立葉逆變換獲得試樣的表面電勢信號。

進一步地，作為本發明的一種優選技術方案：所述步驟2中建立的靜電力顯微信號與試樣表面電勢信號之間的定量卷積模型為：

其中，Δf為靜電力顯微信號中探針固有頻率偏移量，H為靜電力顯微鏡系統的傳遞函數，為試樣表面電勢函數，(x,y)表示試樣表面的二維坐標系，(x_t,y_t)為探針針尖在樣品表面的投影坐標。