Алгоритмическое и программное обеспечение комплексов для зондовой микроскопии

• Автор: Карташев, Всеволод Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

1. Зондовая микроскопия рельефа поверхности

2. Программные пакеты для отображения измерений рельефа поверхности.

3. Увеличение визуального разрешения нанорельефа.

4. Искажения, связанные с неопределенностью модели сканера.

Выводы первой главы.

Глава 2. АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ ОСТРИЯ ИГЛЫ.

1. Принцип работы туннельного микроскопа.

2. Алгоритм определения геометрии острия иглы туннельного микроскопа.

Выводы второй главы.

Глава 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ

ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ СКАНИРОВАНИЯ

1. Форматы входных и выходных данных.
2. Особенности программной модели
3. Проектирование комплекса с заменяемыми модулями.
4. Выбор языка программирования для реализации комплекса.
5. Модифицируемость программного кода
6. Проектирование многопоточности
Выводы третьей главы.
Глава 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА ДЛЯ
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СКАНИРОВАНИЯ
1. Внутренний формат данных
2. Органы управления и пользовательский интерфейс
3. Задание туннельной оболочки острия иглы.
4. Средства оценивания точности определения рельефа
5. Организация параллельных вычислений.
6. Структура программных средств реализованного комплекса
7. Методика применения программного комплекса
8. Средства настройки программного комплекса.
9. Использование комплекса в исследованиях рельефа поверхности
Выводы четвртой главы
Заключение.
Введение


При приближении зонда к поверхности образца возникает сигнал взаимодействия молекул материала иглы зонда с молекулами образца и измеряются три координаты его позиции в системе координат микроскопа. Движение иглы осуществляется с помощью пьсзодвигатслей с пространственным разрешением более чем на порядок лучше значения радиуса закругления иглы. Движение зонда по некоторой траектории позволяет получить определенное представление о рельефе, образованном молекулами на поверхности образца, вдоль этой траектории. Чем тоньше острие зонда и точнее движение его по траектории, тем с более высоким пространственным разрешением измеряется рельеф поверхности. Б зондовых микроскопах сканирование поверхности обычно осуществляется с помощью линейной развртки строка за строкой. Шаг строк и частота измерения высоты рельефа формируются системой управления микроскопа по заданному разрешению и размеру ноля сканирования в пределах диапазонов управления движением пьезодвигателей. В атомносиловом микроскопе игла находится на конце тонкой упругой балочки, называемой кантилевером. При сканировании кантилевер вводят в режим автоколебаний с частотой до сотен килогерц. Амплитуда колебаний зависит от сил, действующих на кантилевер, и достигает порядка 0 нм. Оптикомеханическая система измеряет частоту линейных и крутильных колебаний кантилсвера, которые затем пересчитываются в линейные и угловые перемещения иглы относительно основания кантилсвера. Рис. Принцип измерения рельефа атомносиловым микроскопом 1 исследуемая поверхность, 2 колеблющийся кантилевер, 3 игла, 4 возбудитель колебаний. В системе координат пьезодвигателей положение основания кантилевера неизменно, поэтому относительную координату высоты рельефа можно вычислить, если известно смещение пьезодвигателя и вертикальная и боковая амплитуды колебаний иглы рис. В туннельной микроскопии система управления поддерживает острие иглы над исследуемой поверхностью на расстоянии туннельного зазора рис. Под туннельным зазором понимается расстояние от иглы до молекул поверхности образца, на котором существует туннельный ток заданной величины при фиксированном напряжении. При импульсных изменениях напряжения величина туннельного зазора может варьироваться 2, поэтому туннельный микроскоп обычно работает при постоянном напряжении. Величина туннельного зазора вычисляется с помощью физических моделей по напряжению и туннельному току, которые программно задаются при сканировании. Рис. Результаты измерений обычно представляют в виде цветного изображения. Кодирование высоты осуществляется в условных цветах с помощью выбранной создателем программного обеспечения палитры. Например, в рассмотренном ниже программном пакете БитИеП низкие участки окрашены в синие цвета, высокие в красные. Такая раскраска используется независимо от амплитуды перепада высот измеренного рельефа. Заметим, что на изображениях с подобным принципом раскраски человеческий глаз не различает переходные цвета. Изображение воспринимается таким, как будто оно раскрашено лишь в 4 основных цвета синий, зеленый, желтый и красный, которые имеют яркостные оттенки, причем только границы между этими цветами хорошо различимы. Эти границы фактически определяют линии уровня высоты. Для улучшения восприятия, более совершенным методом изображения высоты рельефа условными цветами следует считать раздельное использование одноцветной палитры и механизма управления отображением линий уровня. Подобный способ раскраски используется в программном комплексе БигИсИ и в разработанном в рамках данной работы макете программных средств туннельного микроскопа. Программное обеспечение для сканирующих зондовых микроскопов СЗМ в настоящее время в достаточной степени устоялось. Большинство пакетов программ для работы с СЗМ предоставляет примерно одинаковые возможности. Настройка контроллера, отвечающего за процесс сканирования. Для шагового контроллера пьезодвигателей возможно указать размеры одного шага перемещения, скорость перемещения и направление движения. Низкоуровневая обработка сигнала, поступающего в ходе измерений.