Artefakty

Při zobrazování není systém ideální ani v ideálních podmínkách. Tato nedokonalost se promítá do získaného obrazu v podobě artefaktů. Ty obecně představují ztrátu informace o vzorku a mohou být způsobeny přímo fyzikálním mechanismem při sběru dat, elektronickým zpracováním signálů nebo špatnou aplikací algoritmů a programů pro zpracování obrazu. K artefaktům lze, s určitým nadhledem, zařadit i špatnou interpretaci operátorem.
V mikroskopiích se skenující sondou se vyskytuje artefaktů celá řada, některé typy jsou společné pro  všechny metody, jiné jen specifické. Pokusíme se uvést neúplný přehled významných artefaktů.

Zrcadlení hrotu, konvoluce

Každý bod v obraze nepředstavuje pouze tvar povrchu, ale je určen prostorovou konvolucí povrchu vzorku a hrotu. Jestliže je zobrazován povrch, který obsahuje ostré hroty, jejichž šířka je menší než šířka hrotu, dojde k „výměně“ funkcí, totiž vzorek bude snímat hrot. V obraze se tedy neobjeví povrch vzorku, ale povrch hrotu. Protože šířka hrotu může být udána vrcholovým úhlem, lze tento efekt poměřovat i v úhlových jednotkách. Komerčně dostupné, dostatečně pevné hroty mají úhly přibližně 70° (dáno možnostmi leptání Si materiálu). Protože řada povrchů je pokryta výstupky s menším úhlem, je zrcadlení hrotu poměrně častá záležitost. Při efektu je zachována výšková informace, může-li se hrot mezi povrchovými rysy dotýkat „dna“, z bočních rozměrů lze stanovit jen horní odhad. Zjištění vlivu zrcadlení je možno určit pozorováním, zda se v obraze neobjevují struktury stejného tvaru i orientace (velikost může být různá, závisí na velikosti píku povrchu). Dále je možno zkusit otočení vzorku,zrcadlený hrot zůstane v původní orientaci.

Prostorová konvoluce se nepříznivě projevuje i v měření a zobrazování šířek objektů. Budeme-li například uvažovat parabolický hrot s poloměrem křivosti R_C, který skenuje napříč tenký drátek o poloměru R_M, bude se šířka drátu jevit jako (4(R_C+R_M)√(R_M(R_C-R_M)))/(R_C), je-li R_C>R_M. Obdobně při měření částic budou jejich velikosti zvětšené, nebudou-li těsně naskládány. Podobně se může projevit hrot, který není bodově zakončen (buď výrobní vada nebo obroušení). Takový hrot bude zobrazovat spíše pyramidy než reálnou topografii a to i na relativně hladkých površích. V obraze se to projeví spoustou podobných útvarů, zpravidla lichoběžníkového tvaru (kopírujících průřez hrotu).

Vlivem konvoluce nelze považovat měření v jednom bodě za lokální, protože měřicí hrot má konečnou šířku a k signálu přispívají všechny blízké atomy. Největší váhu má atom s nejmenší vzdáleností od libovolného atomu hrotu, což nemusí být atom přímo v měřicím bodě. To je významné především při skenování děr, protože zde je mnoho blízkých atomů a dojde ke „zmenšení“ hloubky díry. Vadu lze zčásti odstranit programově tím, že se k získané ploše sestaví nová, která se liší posunem každého bodu o l podél normály v daném bodě, kde l je udržovaná vzdálenost od rovinného povrchu (režim s konstantním signálem). Rekonstrukcí dojde k deformaci ekvidistantní mříže, proto se z dat extrapolují hodnoty odpovídající původní mříži.

Zdvojení

K průtoku proudu v STM dochází (vlivem exponenciálního charakteru) mezi nejtěsněji umístěným atomem hrotu a povrchu. Jsou-li někde dva přibližně stejně vzdálené atomy, dochází ke zdvojení zobrazovaných struktur (resp. násobnému obrazu, jsou-li atomy vzorku i zobrazující dostatečně vzdálené; jinak se vlivem interference obdrží struktura jiného tvaru). To může nastat třeba tehdy, má-li hrot dva vrcholy. Zde je možno si pomoci přeformátováním hrotu buď přiložením pulsu el. pole, nebo zatlačením hrotu proti povrchu. Popsané jevy je možno dobře pozorovat na grafitu, kde se očekává hexagonální symetrie, ale často se dostane něco jiného. Příspěvek každého tunelovacího místa závisí na jeho chemické podstatě, není-li shodná, obdržíme napěťově závislý obraz (bude-li např. jeden atom kovový a druhý ne, při jedné polaritě přispívají oba atomy, při opačné jen jeden). Obdobně může dojít ke zdvojení obrazu také v AFM.

Vliv zpětné vazby

Není-li dobře nastavena zpětná vazba, mohou se v obraze objevovat chybná data. Je-li příliš silná, může nastat oscilace a v obraze se objeví chybná periodická struktura, která má ovšem snadno detekovatelný charakter. V některých případech dochází k výrazným zákmitům při překonávání výškových rozdílů. Při příliš slabé vazbě hrot nesleduje detaily a povrch se bude jevit hladký. Rozpoznání slabé vazby je obecně obtížné, pokud neznáme strukturu vzorku. Zpravidla se slabé vazbě vyhýbáme nastavením nejvyšší integrační hodnoty takové, že je systém ještě stabilní. Způsob nastavení vazby lze kontrolovat srovnáním následných zobrazení jednoho a téhož řádku (po době ustálení, až odezní projevy hystereze a tečení), která by se měla co nejvíce překrývat. Bohužel, jak si lze ověřit na testovací mřížce, průběhy se překrývají pro různé stupně „zaoblení“ profilu.

Protože zpětná vazba udržuje nastavenou hodnotu, patří zde také artefakty vzniklé jejím špatným nastavením. Nastavíme-li např. amplitudu kmitání nevhodně malou, může docházet k přichycení hrotu a zastavení kmitání, což se v obraze projeví vznikem prohlubně. Tyto artefakty se projevují buď v místech zkondenzované vody, nebo na vrcholech částic apod. Na obrázku jsou ukázány dva následné snímky, vlevo byla snížena amplituda kmitů udržovaná vazbou (z 50% na 40% volné amplitudy). Je vidět, že zároveň se zvýrazněním menších částic, což je výhodné, se zvýšila četnost artefaktů. Jednak je zde více již zmíněných prohlubní, jednak se mezi částicemi objevil „závoj“.

Šum

Do obrazu se může promítat šum, který vzniká především v tunelovacím přechodu nebo předzesilovači. Zde pomůže pouze eliminace zdroje šumu, např. stínění přechodu před rozptýleným elektromagnetickým polem, vhodný typ odporu (kovový) ve zpětné vazbě předzesilovače (vnáší šum 1/f), dobré uzemnění, síťovým šumem působí i pole zářivek, transformátorů, vibrace ventilátorů, dalším zdrojem může být počítačová síť. Ze šumů nelze jednoduše vyloučit pouze tepelný a výstřelový. Zvláštním druhem šumů mohou být interference např. síťového kmitočtu, které se projeví jako rovnoběžné proužky, jejichž sklon se mění se změnou poměru řádkové a síťové frekvence.

Dvě vrstvy grafitu a zobrazené atomy (černě).

Rigidita vzorku

Není-li dostatečně pevný vzorek, mohou při jeho zobrazování vznikat problémy. Může dojít k poškození vzorku (kontaktní režim), zvláště při dlouhodobém skenování (při nízké adhezi k povrchu). Někdy dochází k utržení materiálu a jeho smýkání po povrchu, což se projeví na obraze rozmazanou čárou, která nemá sobě odpovídající rys při opačném směru skenování nebo v následném obrázku. Speciální problém představují práškové materiály a způsob jejich uchycení, používá se buď uchycení na čerstvě rozštípnutém povrchu slídy nebo ukotvení vrstvou lepidla (tak, aby částice nezapadly do lepidla zcela). Dalším význačným rysem je stlačování atomů povrchu hrotem, což se projeví např. u grafitu. Ten má strukturní vrstvy tvořené šestiúhelníky (nejbližší vzdálenost 0,142 nm), následné vrstvy (vzdálené 0,335 nm) jsou vzájemně bočně posunuty tak, že pouze každý druhý atom má ve vrstvě pod sebou další. V AFM obraze jsou pak zachyceny pouze „podložené“ atomy, ostatní chybí. Zvláštní struktura se může objevit při skenování podlouhlých objektů, které mohou vibrovat v rovině rovnoběžné s podložkou, např. nanotrubičky orientované osou kolmo k řádkům. Protože kmitání a skenování nejsou sfázovány, budou řádky postupně zachycovat trubičku v různých polohách, ovšem s rozšířením daným konvolucí. Provedeme-li pak řez kolmo k řádkům nebo trojrozměrné zobrazení, bude se trubička jevit jako objekt se zvlněnou výškou.

Mechanické interakce v STS

V ideálním případě by tunelovací hrot měl být od vzorku oddělen mezerou, ale občas se ve spektrech objeví rysy, které svědčí o kontaktu. Je-li například na povrchu vzorku nečistota, která zprostředkovává interakci, je pokles proudu se vzdáleností menší než se čeká. Určí-li se zde efektivní výška bariéry (derivací proudu podle vzdálenosti), dostávají se nesmyslně malé hodnoty (0,1 eV). Důvodem těchto jevů může být například stlačování nečistoty, která tlačí proti hrotu a dojde k rozdílu mezi velikostí tunelovací mezery a hodnotou, určenou z napětí piezokeramiky. Jiným projevem těchto interakcí mohou být abnormálně vysoké hodnoty zvlnění v STM.

Tvar hrotu

Na kvalitě zobrazení se může podepsat i nesymetrie hrotu, která vytváří zkreslený obraz, závislý na směru skenování. Zpravidla se projevuje prodloužením objektů v jednom směru, jak je vidět na obrázku jednoho bodu testovací mřížky.

Interference

Je-li k detekci ohnutí nosníku použito optické záření, je nutno vzít do úvahy i odrazivost vzorku. Je-li hodně lesklý, může se světlo od něj odrážet do detektoru, který bude přesvícen a ztratí schopnost udržovat zpětnou vazbu. Následkem může dojít k poškození nosníku či vzorku. Projevit se může také interference vznikající mezi vzorkem a další odrážející částí, která se projeví vznikem proužků v obraze (tmavá a světlá místa z interferenčního obrazce ovlivňují množství světla dopadajícího do detektoru, který to chybně interpretuje jako signál z nosníku, viz. obrázek povrchu skla vpravo se šikmými interferenčními proužky).

Nabíjení vzorku

souvisí s jeho vodivostí, nastává v dotykových i bezdotykových režimech AFM a způsobuje vznik parazitní elektrostatické síly, u polovodičů v STM pak se ještě projeví ohyb pásů (změna el. hustoty). Nabití má vždy za následek snížení dosaženého rozlišení. Jeho vliv se dá snížit zvýšením odvodu náboje z povrchu, a to především zvýšením vlhkosti vzduchu, ionizací pomocným slabým α zářičem nebo uzemněním vzorku.

Softwarové artefakty

Další, velká skupina artefaktů pochází ze softwarového zpracování obrazu, nesprávného používání algoritmů. Ukázkovým příkladem jsou spektrální filtrace, pomoci nichž lze získat atomární strukturu i z náhodného šumu. Je třeba si uvědomit, že vymazáním či zvýrazněním části spektra zdůrazníme některé směry, které pak mohou vytvářet falešnou symetrickou strukturu. Proto je výhodné aplikovat jen směrově nezávislé 2D filtry. Ukázkou může být uvedený obrázek, který byl získán z náhodných dat tzv. boxovou filtrací v rozích šestiúhelníku. Následkem filtrace se zde objeví hexagonální struktura. Obrázek vznikl v souvislosti se snahou zobrazit povrch slídy s atomárním rozlišením, na kterém jsou hexagonální cykly očekávány. V získaném spektru byla maxima právě v rozích šestiúhelníku a odfiltrováním zbytku se získala falešná, ale pravidelná struktura.

Dalším vlivem zpracování na obraz a artefakty se budeme zabývat později. Nyní pouze upozorníme, že artefakty z interpretace mohou vznikat i bez skutečného zhoršení kvality dat, především z důvodu znázornění. Obrazy se totiž zpracovávají ve dvou základních režimech – trojrozměrném pohledu a rozložení intenzity. K zobrazení se však používají palety, které mají obvykle jen 256 barev na celý dynamický rozsah, čímž dochází ke zkreslení a potlačení detailů, jsou-li v obraze velké výškové rozdíly. Následkem různého vnímání barev se stejné intervaly výšek nejeví jako shodné a může dojít ke zkreslení (např. ve stupnici šedi je prvních dvacet úrovní blíže černé okem téměř nerozlišitelných a jakákoliv struktura v nich zanikne). Při použití barevných palet je situace ještě komplikovanější, protože závislost výšky a jasu nemusí být jednoznačná ani monotonní. Obdobně při použití 3D modelů, v nichž je zkreslení z palety potlačeno, jsou problémy s určováním obrysů a symetrií. Ty totiž vlivem konvoluce nebývají ostré, ale pozvolna přecházejí a je obtížné rozlišit např. útvary kruhové od symetrických šestiúhelníků apod. Zde může výrazně pomoci jednak použití konturové palety nebo provedení řezu pomocí roviny rovnoběžné se vzorkem.

Kvalitní zobrazování

Některé artefakty lze v obrazu jednoduše rozeznat a lze se pokusit je vhodným nastavením odstranit. Už bylo zmíněno pravidlo pro nastavení parametrů zpětné vazby. Vyskytují-li se v obraze šmouhy či čáry ve směru skenování, je vhodné obraz skenovat několikrát, aby došlo k jejich odstranění. Vhodné je provádět cyklicky zvětšení a zmenšení skenované oblasti. Kvalitu obrazu (s ohledem na artefakty) můžeme testovat skenováním při různých rotacích, charakter obrazu by měl zůstat vždy stejný, ale může se lišit jeho kvalita, samozřejmostí je shoda dopředného a zpětného obrazu.

Pro zvlášť náročná měření je možno také vybírat hroty pomocí optického mikroskopu, kterým se dají eliminovat hroty polámané, asymetricky umístěné či hodně znečištěné. Hrot by se měl také otestovat pomocí standardního vzorku.