Программный модуль ScanTronic™
Application Note 104 (pdf)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_14a.jpg)
a)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_14b.jpg)
b)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_09a.jpg)
a)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_09b.jpg)
b)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_09c.jpg)
c)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_10a_en.jpg)
a)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_10b_en.jpg)
b)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_10c_en.jpg)
c)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_10d_en.jpg)
d)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_07.jpg)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_08.jpg)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_11.jpg)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_12a.jpg)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_12b.jpg)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_12c.jpg)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_12d.jpg)
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.
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_13a.jpg)
a)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_13b.jpg)
b)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_13c.jpg)
c)
![](/data/media/images/features/im_ScanTronic_13d.jpg)
d)
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)