中国科学院上海硅酸盐研究所科研团队近期构建了一种名为StableAFM的物理引导生成式超分辨模型。该研究试图应对原子力显微镜(AFM)逐点扫描中成像速度与空间分辨率难以同时保证的问题，并减少通用图像重建方法用于真实AFM数据时可能产生的实验不一致伪影。
据研究团队介绍，StableAFM将AFM采样物理与潜空间扩散模型结合，用原始测量数据对重建过程施加约束。其重建流程分为两步：先由AFM-SwinIR网络恢复图像整体结构，再由适配AFM图像的潜空间扩散模型补充界面和局部细节。为控制生成细节与实测数据的一致性，团队采用潜空间扩散后验采样策略，把当前重建结果按AFM采样规则映射回低分辨测量网格，并依据其与实测数据的偏差进行校正。测试结果显示，引入物理测量约束后，模型均方误差下降约31.3%。
在实验验证方面，团队将该模型用于多层陶瓷电容器介质层的电荷陷阱研究。研究人员先以较快速度采集低分辨开尔文探针力显微镜(KPFM)表面电势图像，再重建高分辨电势序列，并结合等温表面电势衰减(ISPD)分析，获得陷阱能级和密度的空间分布。研究观察到，不同类型陷阱的空间分布并不一致；在电荷注入区域附近聚集的深能级电子陷阱区域，出现不连续的类环状耗尽特征，而原始低分辨数据难以单独确定其连续边界。团队称，多组重复实验在相同区域再现了该特征，形貌图像中未见对应环状结构，因此判断其与电学陷阱响应有关，并排除了单次随机重建或明显形貌串扰的可能。该实验中，KPFM数据采集速度提升至原来的4倍。
研究团队还表示，StableAFM具有跨材料和跨成像模式的应用潜力，可用于恢复表面划痕、晶粒边界等形貌特征，也可用于KPFM表面电势差异重建、PFM图像中铁电畴取向和极化区域边界识别，并为多类扫描探针显微数据分析提供支持。
该研究将物理采样模型、生成先验和实测一致性约束结合，使超分辨重建可用于动态过程物理参数提取。研究团队认为，这为应对扫描探针显微成像速度与分辨率难以兼顾的问题提供了新思路，也为功能材料高通量表征和局域电学行为研究提供了技术框架。
作者：宋池
