基于系列离焦图像的动态电荷观测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，包括：(1)获取系列离焦图像；(2)对系列离焦图像依次进行漂移矫正和边缘填充；(3)构建离焦图像的出射波函数，并根据离焦图像的出射波函数构建复数波函数，当前帧离焦图像的复数波函数中上轮迭代计算的轮次电荷分布；(4)将首帧离焦图像的复数波函数根据出射波函数进行传递以得到不同离焦图像的复数波函数；(5)根据当前轮次的所有复数波函数包含的电荷分布确定当前轮次的轮次电荷分布；(6)将最后一帧离焦图像的复数波函数更改后，作为首帧帧离焦图像的复数波函数；(7)迭代执行(4)

【技术实现步骤摘要】
基于系列离焦图像的动态电荷观测方法


[0001]本专利技术属于电子光学领域，具体涉及一种基于系列离焦图像的动态电荷观测方法。

技术介绍

[0002]电荷分布表征对理解材料微观结构、缺陷等和性能之间的关系至关重要。不管是液固界面还是光催化反应等过程中都会伴随着电荷的转移过程，判断电荷转移途径都是理解反应机理的一种重要手段。同时，控制电荷分布也是调整半导体性能的重要途径。透射电子显微镜的专利技术，让人们能够以亚纳米级的分辨率研究材料的微观形貌结构。
[0003]一般用来测定电荷转移的方式有扫描电容显微镜和开尔文力显微镜等。但这些方法得到的电荷分布信息，仅局限于近表面区域。另外以扫描电子显微镜技术为基础的表征手段，如电子束感应电流和阴极发光等，也能够给出样品中存在的电学信息。但这些方法是通过光谱特征长度建立与电荷分布结果的联系，并非电荷的直接成像。
[0004]宏观测量半导体材料可以探测平均载流子密度，得到载流子电荷种类、载流子迁移率等电学信息，但此方法只局限于器件整体的电学性质，并不能探测载流子轮廓或材料局部电荷密度。
[0005]对于纳米尺度的样品，需要对样品进行精确的微加工组装为探测元件，其带来的对准误差风险与实现良好欧姆接触的困难，进一步导致了结果的不确定性。并且由高能电子束轰击到样品上带来的荷电效应一定程度上干扰了电子束与样品产生的特异性信号，难以获得样品的真实性质，并且容易产生异常的衬度差异，以及图像畸变和漂移等等。此外，纳米掺杂体系结构的表面电荷定量表征也依然具有挑战性，因为现有的大多数表征技术使用电子、离子或场电离效应能够精确判断掺杂剂的化学存在，但由于这部分掺杂剂不一定具有电活性，表征掺杂剂结构的电荷分布尤为困难。
[0006]由于荷电效应积累的电荷量微小难以测量，现如今对荷电效应影响下整体电荷分布的表征研究仍大大缺失。目前关于荷电效应对样品表面产生电荷积累影响的研究，主要基于以下测试方式：吸收电流或影响电流、电子光谱和X射线光谱、电子束偏转和开尔文探针。但这些技术大多局限于对带电材料体系的分析。而且在样品中，携带正电荷的空穴和负电荷的电子的局域分布和输运性质会因材料本身的性质以及缺陷、杂质等大不相同。因此，减弱荷电效应，如何在极低束流的条件下快速且准确地抓捕电荷的动态变化也需要解决。
[0007]目前表征电荷分布的研究中，部分是通过基于低能电子投影镜技术的方式，但此方法无法获得材料的结构信息，因此无法建立材料结构与电荷分布之间的联系；更多的方法是利用离同轴电子全息技术，这种方法对于电荷的动态变化难以快速响应，且电荷分布的分辨率和精度也不够足以抓捕电荷的动态变化，并且对电荷分布的观测可以达到很高的分辨率和精度。

技术实现思路

[0008]鉴于上述，本专利技术的目的是提供一种基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，该方法简单，可以运用在透射电子显微镜中对电荷分布进行快速直观的动态表征，能够普适于包括原位反应在内的绝大对数材料体系的原位实验观测，并且通过利用同轴全息的方法能够实现极低电子束流、无干扰条件下对样品表明的电荷分布进行高空间分辨率，高精度的观测，并且此方法有很好的动态观测前景。
[0009]为实现上述专利技术目的，实施例提供的基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，获取利用透射电子显微镜对样品照射时的系列离焦图像；
[0011]步骤2，对系列离焦图像依次进行漂移矫正和边缘填充，以得到漂移校正后的系列离焦图像；
[0012]步骤3，根据样品下表面的出射波函数和传递函数构建迭代波函数，其中，迭代波函数包含上轮迭代计算的轮次电荷分布；
[0013]步骤4，将首帧离焦图像的迭代波函数根据传递函数传播到不同的离焦图像以得到不同离焦图像的迭代波函数；
[0014]步骤5，对当前轮次计算得到的所有离焦图像的迭代波函数包含的电荷分布做归一化处理，以得到当前轮次的轮次电荷分布；
[0015]步骤6，将最后一帧离焦图像的迭代波函数更改后，作为首帧离焦图像的迭代波函数；
[0016]步骤7，迭代执行步骤4
‑
步骤6，直到迭代终止，以最后一次迭代计算的电荷分布为最终电荷分布。
[0017]在一个实施例的步骤2中，对系列离焦图像进行漂移矫正，包括：
[0018]计算相邻两帧离焦图像的互相关系数矩阵，并提取互相关系数矩阵中的前k大的互相关系数，对互相关系数矩阵中的前k大的互相关系数做平均得到偏移量，并以相邻两帧中的前帧离焦图像为基础，利用计算的偏移量对后帧离焦图像做漂移矫正，以使相邻两帧离焦图像的中心对齐。
[0019]在一个实施例的步骤2中，对系列离焦图像进行边缘填充，包括：
[0020]针对每张漂移矫正后的离焦图像，以离焦图像的边缘像素值为基础，采用傅里叶变换的方式，增加与离焦图像真实边缘相关的傅里叶变换震荡衰减区域，实现图像边缘填充。
[0021]在一个实施例的步骤3中，根据样品下表面的出射波函数和传递函数构建迭代波函数，包括：
[0022]首先，给定样品下表面的出射波函数其中样品下表面的出射波函数对对应系列离焦图像中的离焦图像的出射波函数：
[0023][0024]其中，表示样品相对于正焦面的空间位置，和分别是振幅和相位，其中，实际振幅从离焦图像中直接得到，即
[0025]其次，采用菲涅耳衍射算符的卷积运算，在实空间下计算小角度散射极限下，出射波函数依据传递函数向各离焦面传播，得到对应的复数波函数为：
[0026][0027]其中，和分别表示第n帧、第n
‑
1帧离焦图像的复数波函数，表示与透射电子显微镜的物镜孔径允许的最大散射角对应的理想低通滤波器，为透射电子显微镜的传递函数，在忽略除了离焦Δf以外的所有像差，传递函数简单定义为λ为电子束波长，受电压控制，表示离焦图像在傅里叶空间下的像素点的坐标；
[0028]最后，根据相位和投影电荷存在泊松方程的关系，将复数波函数转换成迭代波函数
[0029][0030]其中，迭代波函数中，下标Δf表示离焦距离，针对首帧离焦图像，Δf＝0，上标N为迭代次数，|Ψ(x,y)|表示迭代波函数的模拟振幅，Ψ(x,y)表示复数波函数，等同于复数波函数Q
N
‑1(x,y)表示N
‑
1轮次迭代计算的轮次电荷分布，(x,y)表示离焦图像在实空间下的每个像素点的位置坐标，∈0表示电介质常数，C
E
表示表示与加速电压相关的常数。
[0031]在一个实施例的步骤4中，将首帧离焦图像的迭代波函数根据传递函数传播到不同的离焦图像以得到不同离焦图像的迭代波函数，包括：
[0032]在传递过程中，将每个离焦图像的实际振幅带入到迭代波函数中，以得到不同离焦图像的迭代波函数。
[0033]在一个实施例的步骤6中，对最后一帧离焦图像的复数波函数的更改包括：
[0034]首先，将最后一帧离焦图像的迭代波函数的相位部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，获取利用透射电子显微镜对样品照射时的系列离焦图像；步骤2，对系列离焦图像依次进行漂移矫正和边缘填充，以得到漂移校正后的系列离焦图像；步骤3，根据样品下表面的出射波函数和传递函数构建迭代波函数，其中，迭代波函数包含上轮迭代计算的轮次电荷分布；步骤4，将首帧离焦图像的迭代波函数根据传递函数传播到不同的离焦图像以得到不同离焦图像的迭代波函数；步骤5，对当前轮次计算得到的所有离焦图像的迭代波函数包含的电荷分布做归一化处理，以得到当前轮次的轮次电荷分布；步骤6，将最后一帧离焦图像的迭代波函数更改后，作为首帧离焦图像的迭代波函数；步骤7，迭代执行步骤4
‑
步骤6，直到迭代终止，以最后一次迭代计算的电荷分布为最终电荷分布。2.根据权利要求1所述的基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，其特征在于，步骤2中，对系列离焦图像进行漂移矫正，包括：计算相邻两帧离焦图像的互相关系数矩阵，并提取互相关系数矩阵中的前k大的互相关系数，对互相关系数矩阵中的前k大的互相关系数做平均得到偏移量，并以相邻两帧中的前帧离焦图像为基础，利用计算的偏移量对后帧离焦图像做漂移矫正，以使相邻两帧离焦图像的中心对齐。3.根据权利要求1所述的基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，其特征在于，步骤2中，对系列离焦图像进行边缘填充，包括：针对每张漂移矫正后的离焦图像，以离焦图像的边缘像素值为基础，采用傅里叶变换的方式，增加与离焦图像真实边缘相关的傅里叶变换震荡衰减区域，实现图像的边缘填充。4.根据权利要求1所述的基于系列离焦图像的动态电荷观测方法，其特征在于，步骤3中，根据样品下表面的出射波函数和传递函数构建迭代波函数，包括：首先，给定样品下表面的出射波函数其中样品下表面的出射波函数对对应系列离焦图像中的离焦图像的出射波函数：其中，表示样品相对于正焦面的空间位置，和分别是振幅和相位，其中，实际振幅从离焦图像中直接得到，即其次，采用菲涅耳衍射算符的卷积运算，在实空间下计算小角度散射极限下，出射波函数依据传递函数向各离焦面传播，得到对应的复数波函数为：其中，和分别表示第n帧、第n
‑
1帧离焦图像的复数波函数，表示与透射电子显微镜的物镜孔径允许的最大散射角对应的理想低通滤波器，为透射电子显微镜的传递函数，在忽略除了离焦Δf以外的所有像差，传递函数简单定义为
λ为电子束波长，受电压控制，表示离焦图像在傅里叶空间下的像素点的坐标；最后，根据相位和投影电荷存在泊松方程的关系，将复数波函数转换成迭代波函数函数其中，迭...

【专利技术属性】
技术研发人员：田鹤，于洪杨，沈旭海，汪雨轩，施特，张宇，张泽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：