ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ SCANTRONIC™

Атомно-силовая микроскопия - широко распространенный и мощный метод исследования материалов в наноразмерном диапазоне. Однако, методика АСМ измерений не проста в использовании, что может приводить к ошибочным результатам у исследователей с недостаточным опытом. Компания NT‑MDT Spectrum Instruments (NT‑MDT SI), вдохновленная успехами применений технологий нейронных сетей, создала интеллектуальный программный модуль ScanTronic™, упрощающий работу с использованием амплитудно-модуляционного метода АСМ для исследователей любого уровня квалификации.

Амплитудно-модуляционный метод АСМ (АМ-АСМ), также известный как «полуконтактный» или «тэппинг», основан на зависимости амплитуды колебаний кантилевера от расстояния между поверхностью образца и зондом. Этот метод часто предпочитают другим методам АСМ, так как он относительно прост в реализации и способен минимизировать силу взаимодействия между зондом и образцом.

Рис. 1. Изображение рельефа поверхности стекла (слева ) и полимера PS-b-PMMA (справа) при неоптимальной настройке параметров сканирования. Изображения крупных частиц на поверхности имеют дефект в виде комы или «затяжек», которые возникают из-за отрыва зонда от поверхности. Изображение полимера имеет другой тип дефектов, проявляющийся в виде областей с более высоким рельефом (светлые участки на изображении), которые обусловлены перескоками колебательного режима зонда из режима отталкивания в режим притяжения.

Тем не менее, как показывает практика, значительная часть АСМ изображений содержит различные артефакты, обусловленные неконтролируемыми перескоками режима колебаний кантилевера, избыточным шумом измеряемых сигналов и отрывом зонда от поверхности образца (эффект парашютирования) (рис.1). Эти искажения могут повлиять на интерпретацию результатов и привести к неверным выводам.

Чтобы избежать артефактов и достичь высокого качества изображения, пользователь во время сканирования должен вести подстройку основных параметров, включая скорость сканирования, амплитуду колебаний зонда, рабочее значение амплитуды (сет-пойнт), параметры обратной связи и т. д. Это особенно важно для образцов с большой шероховатостью, слабо закрепленных на поверхности объектов (наночастицы, нанотрубки, одиночные молекулы) мягких материалов (гели, мягкие полимеры, биологические объекты) или образцов, у которых характеристики поверхности заранее неизвестны.

Это требует не только хорошего понимания работы микроскопа и того, как различные параметры влияют на качество изображения в различных сценариях, но и опыта работы с различными типами образцов для надежного получения приемлемых изображений. Все это не самым лучшим образом сказывается на производительности АСМ.

Это создает еще одно препятствие, поскольку получение опыта требует доступа к образцам и времени, необходимого для изучения прибора и техники сканирования.

Как ответ на это, автоматическая настройка параметров для получения изображений в АМ-АСМ крайне желательна, чтобы избежать траты большого количества времени и усилий на освоение прибора прежде, чем пользователь сможет их получать. Интеллектуальный программный модуль ScanTronic™ позволяет пользователю быстро начать получать качественные достоверные результаты на своих образцах в АМ-АСМ.

Интеллектуальное ПО для АСМ – Программный модуль ScanTronic от NT MDT Spectrum Instruments

Программный модуль ScanTronic™ использует нейронные сети для автоматической настройки параметров сканирования и обработки изображений в АМ-АСМ. Требуя минимальных знаний о свойствах образца и минимального участия пользователя, ScanTronic™ полезен не только для начинающих, но и для опытных пользователей, особенно в тех случаях, когда характеристики рельефа образца заранее неизвестны.

ScanTronic™ снижает уровень шума до минимума, значительно уменьшает дефекты изображения рельефа за счет уменьшения количества затяжек (эффекта парашютирования), возбуждения обратной связи и перескоков между режимами притяжения и отталкивания в АМ-АСМ, обеспечивая получение высококачественных достоверных результатов на образцах с различными характеристиками поверхности.

Алгоритм модуля выявляет дефекты во время процедуры настройки и устраняет или уменьшает их за счет оптимизации параметров обратной связи, а также настройки величины амплитуды колебаний кантилевера, значения рабочей точки (сет-пойнт) и скорости сканирования.

Рис. 2. Изображение рельефа поверхности фторалканов на кремнии, полученное при недостаточной (слева), избыточной(середина) и оптимальной (справа) величине коэффициентов усиления обратной связи. При недостаточной величине мелкий рельеф воспроизводится хорошо, но на высоких объектах возникает дефект типа «затяжки» («парашютирование»). При избыточной величине изображение становится зашумленным из-за возбуждения обратной связи. При оптимальной величине усиления обратной связи мелкий и крупный рельеф воспроизводятся без дефектов и с минимальным шумом.

На рис. 2 представлен пример неоптимальной настройки обратной связи (слева и в центре) в сравнении с изображением, когда коэффициенты усиления обратной связи подобраны оптимально.

Один из наиболее распространенных дефектов в АМ-АСМ, который вызван перескоками между режимами притяжения и отталкивания, обусловлен неправильным выбором величины амплитуды колебаний зонда и значения сет-пойнт.

Рельеф на таких изображениях выглядит «рваным» и во многих случаях вместе с некачественными результатами может привести исследователя к неверным выводам. ScanTronic™ устраняет или значительно минимизирует этот тип дефектов благодаря надежному контролю силы путем автоматической настройки амплитуды и рабочей точки в соответствии со свойствами образца и позволяет контролируемо сканировать только в режиме притяжения или отталкивания. На рис. 3 приведены примеры изображений, полученных в режиме притяжения и в случае, когда происходят перескоки между режимами притяжения и отталкивания.

Рис. 3. Вверху: изображения рельефа (слева) и фазового контраста (справа) PS-b-PMMA, полученные при сканировании в режиме притяжения . Внизу: изображения рельефа (слева) и фазового контраста (справа) с дефектами, вызванными перескоками между режимами притяжения и отталкивания. Светлые области на изображении рельефа и соответствующие им темные на изображении фазового контраста обусловлены изменением режима колебаний зонда.

Одним из преимуществ сканирования в режиме притяжения является сохранение остроты зонда, что значительно увеличивает его срок службы. Однако, наличие на поверхности отдельных участков с крутым рельефом, например, одиночно лежащей крупной частицы, может привести к повреждению острия. Алгоритм ScanTronic отслеживает сигнал ошибки обратной связи и препятствует разрушению острия зонда в процессе настройки и сканирования.

Программный модуль ScanTronic™ также позволяет стабильно контролировать малую силу взаимодействия образца с зондом в режиме притяжения и делает визуализацию сложных и мягких образцов повторяемой и рутинной процедурой.

Рис. 4. Изображения рельефа нитроцеллюлозной мембраны с шероховатым рельефом поверхности (слева) и частиц фторалакана, слабо связанными с поверхностью (справа).

Модуль ScanTronic™ имеет дружественный интерфейс, который позволяет сразу запускать процедуру получения изображения (рис. 5). Для проведения измерения, в зависимости от задачи, выбирается режим притяжения или отталкивания в АМ-АСМ, а затем начинается сканирование.


Рис. 5. Интерфейс модуля ScanTronic™.

В то же время все индикаторы качества изображения и расширенный набор элементов управления по-прежнему доступны для опытных пользователей, которые хотят иметь полный контроль параметров в процессе сканирования.

Устранение артефактов в АМ-АСМ

Наличие на поверхности образца областей с относительно резкими перепадами высот может привести к тому, что на крутых участках могут возникнуть дефекты, связанные с отрывом зонда от поверхности («парашютирование»). Часто бывает так, что изображение почти всей сканируемой поверхности имеет высокое качество и такого рода дефекты проявляются только на нескольких небольших участках, как правило, связанных с отдельными частицами. В результате качество полученного изображения оказывается неприемлемым и требуется повторное сканирование данной области.

Встроенный в программу алгоритм GTransformTM позволяет устранять дефекты «парашютирования» на изображении рельефа. В результате из изображения посредственного качества получается вполне приемлемый результат, как это показано на рис. 6.

Рис. 6. Изображение рельефа до и после применения GTransform™ для коррекции эффекта «парашютирования». GTransform™ устраняет «затяжки», возникающие из-за отрыва зонда от поверхности на объектах с крутым склоном.

Кроме того, алгоритм GTransform™ позволяет извлечь из сканированного изображения значимую информацию. Действительно, изображения фазового контраста, тока растекания или латеральных сил содержат наряду с информацией, связанной с гетерогенностью свойств поверхности, также контраст, обусловленный рельефом, который в некоторых случаях может в значительной степени маскировать карту характеристики, связанную с гетерогенностью свойств поверхности. На рис. 7 приведен пример применения алгоритма GTransform™ для извлечения из изображения фазового контраста информации, непосредственно связанной со свойствами материала, путем устранения искажений, обусловленных влиянием рельефа поверхности на сигнал смещения фазы.

Рис. 7. Вверху: Изображение фазового контраста агрегатов молекул красителя до (слева) и после (справа) удаления эффекта влияния рельефа с помощью GTransform™. Внизу: применение GTransform™ для карты фазового контраста агрегатов молекул фторалкана.

Заключение

Для начинающих пользователей АСМ интеллектуальный программный модуль ScanTronic™ значительно облегчает путь к получению высококачественных АМ-АСМ изображений с оптимизацией одним щелчком мыши и без трудоемкого обучения. Опытным исследователям программный модуль ScanTronic™ помогает высвободить время, которое в противном случае было бы потрачено на создание рутинных изображений, не жертвуя при этом контролем над процедурой.


Запись вебинара, проведенного Директором по разработкам к.т.н. Вячеславом Поляковым:
"Автоматизация АСМ измерений при помощи интеллектуальной системы ScanTronic™"

pdf (9 Mb)

Свяжитесь с нами

Заполните форму для запроса дополнительной информации

Узнать больше