一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法技术

本发明专利技术公开了一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，首先，利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，获得试样表面的电势分布信息，其次，通过格林函数方法建立探测信号与真实信号之间的定量关系模型，获得该显微探测系统点扩散函数的计算方法，最后，采用数字信号处理方法，在显著降低截断误差和噪声信号影响的基础上，利用维纳滤波技术，对失真的表面电势信息进行还原处理，进而获得试样表面电势分布的真实信息。本方法具有一定的普遍性，适用于表面电势信号不随时间变化的测试对象。

A digital signal processing and analysis method for Kelvin microscopic detection of two dimensional images

The invention discloses a Kelvin microscopic detection of two-dimensional images of digital signal processing and analysis methods, first of all, Kelvin microscopy and microscopic detection technology using atomic force, to obtain information on the sample surface potential distribution, secondly, to establish quantitative relationship model between the detection signal and the true signal through the Green function method, the microscopic detection system point spread the function calculation method, finally, using digital signal processing method based on the error and decrease noise signal truncation, using Wiener filtering technology, the surface potential of information distortion reduction treatment, and to obtain the true information of the surface potential distribution of samples. This method is universal and can be applied to test objects whose surface potential signals do not change with time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信号处理和分析领域，尤其涉及一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法。
技术介绍
开尔文显微探测技术(KPFM)是利用原子力显微镜的导电探针，基于开尔文补偿探测方法，在微观尺度下探测试样表面的功函数或表面电势信号的微观探测技术。开尔文补偿探测方法最早由英国的开尔文勋爵于1898年提出，用于探测金属的功函数。探测时，将待测金属与另一标准金属相对，形成平行板电容器，并用导线相连，同时使其中某一金属极板作受迫振动，则回路中将出现交变电流。若此时在回路中加入可调节电源，改变电源电压能够使回路中电流为零，而根据理论分析，此电压值即为两金属极板间的功函数差。但该方法有一定的局限：第一，试样尺寸不能太小，否则回路电流难以探测；第二，只能获得成分均一的试样的功函数，而无法进行微区探测。随着科学技术的发展，新材料和新器件迈向了纳米尺度，原始的开尔文补偿探测已不能满足研究的需求。另一方面，原子力显微镜(AFM)是一种在微观尺度下探测试样形貌信息的重要技术手段，探测精度能达到1纳米以下。传统的原子力显微镜探测的是原子间的范德瓦尔斯力，工作模式主要分为接触模式和轻敲模式，而在轻敲模式中探针在驱动力作用下作受迫振动，与开尔文补偿方法中振动的金属极板有相似之处。因此，基于原子力显微镜的轻敲模式，人们开发出了在微观尺度下探测试样表面功函数的开尔文显微探测技术(KPFM)。与轻敲模式略有不同的是，开尔文显微探测技术探测的是静电力而非原子间作用力，在扫描过程中探针与试样不接触、而是保持约数十纳米的距离，通过调节探针与试样间的外加电压对两者的静电力进行补偿，从而获得试样表面微观区域的功函数信息。开尔文显微探测技术被专利技术以来，被广泛应用于合金和半导体材料的组分分析，以及电子科学、材料科学乃至生命科学中电学信号的探测分析等领域中，具有无损伤、无污染、灵敏度高等优点。但是，由于开尔文显微探测技术所探测的静电力是长程力，探针与试样不接触，因此，相比于原子力显微镜的形貌探测，开尔文显微探测的分辨率大大降低，导致获得的表面电势信号(探针与试样表面的功函数差)存在一定程度的失真。目前，对于开尔文显微探测信号失真的研究还很缺乏，因此，提供一种快速简便的方法，在尽量减少信号的截断误差和噪声影响的基础上，对开尔文显微探测的二维图像进行数字信号处理就是一个亟待解决和研究的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的不足提供了一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其在对试样进行开尔文显微探测后，提供一种简便易行的对该二维数字图像进行反卷积处理，进而还原出准确表面电势信号(或功函数信号)的数字信号处理和分析方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，具体包含如下步骤：步骤1，利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，探测试样表面的电势分布；步骤2，通过格林函数方法建立开尔文显微探测信号与试样表面实际电势信号之间的定量关系模型；步骤3，采用数字信号处理方法和维纳滤波技术，对开尔文探测信号进行反卷积处理，获得试样表面真实的电势分布信息。作为本专利技术一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法的进一步优选方案，所述原子力显微镜采用德国布鲁克公司的型号为Nanoscope3D的原子力显微镜。作为本专利技术一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法的进一步优选方案，所述试样采用P型单晶硅衬底上的浮栅存储结构薄膜。作为本专利技术一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法的进一步优选方案，在步骤2中，探测信号与真实信号之间的定量关系模型具体如下：其中，Vdc为开尔文显微探测信号，Vsub为探针与试样衬底间功函数差所对应的电压值，为真实表面电势的二维信号，为系统的点扩散函数，(x”,y”)为试样表面的平面坐标，(xt,yt)为探针针尖的平面坐标，计算时将探针表面分割成编号为i＝1,2,…N共N个微元，(xi,yi)为第i个微元的平面坐标，Ci为第i个微元的权重因子，h为格林函数在边界处的法向梯度。作为本专利技术一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法的进一步优选方案，所述步骤3具体包含如下步骤：步骤3.1，将点扩散函数离散化，并通过扣除电势均值的方法减小截断误差，具体如下：其中为电势均值，(xm”,ym”)为探测时探针的步进坐标，ΔS为单个步进点所占据的面积，PSF(xm\,yn\,xt,yt)·ΔS为离散的点扩散函数；步骤3.2，利用维纳滤波方法，对探测信号进行反卷积处理，进而获得试样表面真实的电势信息。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、利用开尔文显微探测技术探测试样表面的电势分布信息，并利用格林函数方法建立所获得信号与真实电势信号之间的定量关系模型，通过数字信号处理的方法，在降低截断误差和减小噪声信号影响的基础上，从开尔文显微探测信号中提取出真实的表面电势信号；2、开尔文显微探测具有无损探测的优点，其探针针尖曲率半径在20–30纳米左右，能够探测边长为数百纳米到数微米区域的微区电势信息；3、通过格林函数方法建立了探测系统点扩散函数的计算方法，并在控制截断误差和噪声信号的基础上，给出了图像还原的数字信号处理方法，其还原精度与探测范围相关；4、本专利技术方法具有一定的普遍性，适用于表面电势信号不随时间变化的测试对象。附图说明图1是本专利技术开尔文显微探测获得的电势图像；图2是本专利技术利用数值计算获得的开尔文显微探测系统的点扩散函数图像；图3是本专利技术利用点扩散函数矩阵对开尔文显微图像进行的反卷积处理；图4是本专利技术开尔文显微探测图像在处理前后的对比。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：本专利技术的目的是这样实现的：利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，探测试样表面的电势分布情况，通过格林函数方法建立探测信号与实际表面电势信号之间的定量关系模型，最后采用数字信号处理方法还原出真实的表面电势信息。具体包含以下三个步骤：步骤1，利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，探测试样表面的电势分布：在20℃和30％湿度的环境下，使用原子力显微镜(德国布鲁克公司，Nanoscope3D型号)开尔文显微探测模式进行测试，测试所用导电探针的型号为SCM-PIT，探针曲率半径约为25纳米，扫描速率1Hz，探针抬起高度为50纳米，扫描范围为2微米见方的区域。试样与测试托盘采用导电银浆(或导电胶)粘连，区域中心保持有注入的电荷。开尔文显微探测时，反馈系统自动给探针施加一直流电压Vdc使探针与样品间的静电力最小化，最后输出反馈信号Vdc作为试样的表面电势信号。步骤2，通过格林函数方法建立开尔文显微探测信号与试样表面实际电势信号之间的定量关系模型：探测信号与真实信号之间的定量关系模型具体如下：其中，Vdc为开尔文显微探测信号，Vsub为探针与试样衬底间功函数差所对应的电压值，为真实表面电势的二维信号，为系统的点扩散函数，(x”,y”)为试样表面的平面坐标，(xt,yt)为探针针尖的平面坐标，计算时将探针表面分割成编号为i＝1,2,…N共N个微元，(xi,yi)为第i个微元的平面坐标，Ci为第i个微元的权重因子，h为格林函数在边界处的法向梯度。建本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤1，利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，探测试样表面的电势分布；步骤2，通过格林函数方法建立开尔文显微探测信号与试样表面实际电势信号之间的定量关系模型；步骤3，采用数字信号处理方法和维纳滤波技术，对开尔文探测信号进行反卷积处理，获得试样表面真实的电势分布信息。

【技术特征摘要】
1.一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其特征在于：具体包含如下步骤：步骤1，利用原子力显微镜和开尔文显微探测技术，探测试样表面的电势分布；步骤2，通过格林函数方法建立开尔文显微探测信号与试样表面实际电势信号之间的定量关系模型；步骤3，采用数字信号处理方法和维纳滤波技术，对开尔文探测信号进行反卷积处理，获得试样表面真实的电势分布信息。2.根据权利要求1所述的一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其特征在于：所述原子力显微镜采用德国布鲁克公司的型号为Nanoscope3D的原子力显微镜。3.根据权利要求1所述的一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其特征在于：所述试样采用P型单晶硅衬底上的浮栅存储结构薄膜。4.根据权利要求1所述的一种开尔文显微探测二维图像的数字信号处理和分析方法，其特征在于：在步骤2中，探测信号与真实信号之间的定量关系模型具...

【专利技术属性】
技术研发人员：许杰，陈德媛，李卫，白刚，方玉明，郭宇锋，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32