Некоторые особенности работы зондового микроскопа

Основное значение сканируемого зондового микроскопа заключается в получении локальных характеристик поверхности в трёхмерном изображении. Качество данных при этом зависит от правильности настройки прибора и обработки полученных сигналов. И эти особенности работы с СЗМ стоит рассмотреть.

Виды защиты от внешней вибрации

Независимо от конструкции, работа СЗМ предполагает наличие собственной колебательной системой с частотой ω_K. И, если на прибор воздействуют внешние факторы в схожем диапазоне колебаний, это приводит к искажению и размыванию изображения. Чтобы исключить помехи в работе прибора, конструкторы используют для изготовления измерительных головок массивные металлические детали с частотой больше 100 кГц.

Кроме того, для сканирующей части микроскопа подбирается наименьшая резонансная частота, позволяющая сохранить достаточный угол обзора. Этот показатель колеблется в пределах 10-100 кГц.

Защита прибора от внешних вибраций выполняется двумя способами:

1. Путем пассивной виброизоляции. Она предполагает снижение амплитуды вынужденных колебаний, если разница внешней возбуждающей силы и собственной резонансной частотой системы увеличивается. Резонансная частотность для пружинной платформы с упругим подвесом рассчитывается по формуле, в которой нужно извлечь квадратный корень из жесткости пружины, разделенной на массу платформы виброизоляции с головкой. На практике обеспечить низкие показатели пассивным путем трудно.
2. С помощью активных систем подавления вибрации. Для этого устройство снабжается электромеханическими системами, обеспечивающими отрицательную обратную связь. Это приводит к стабилизации положения виброизолирующей платформы агрегата.

Одним из основных источников вибрации являются акустические помехи. Для их устранения разработаны защитные колпаки для СЗМ. Большей эффективностью из всех вариантов обладает вакуумная камера.

Как стабилизировать положение зонда

Снижение стабильности сканирующего зондового микроскопа по отношению к исследуемому объекту возникает:

• из-за колебаний температуры окружающей среды;
• из-за расширения, возникающего при нагревании элементов конструкции.

Чтобы исключить искажения информации из-за этих факторов, необходим расчет тензора деформации по формуле U_ik=a_ik∆T. Следовательно, для вычислений потребуется найти значение тензора коэффициентов теплового расширения. Являясь скалярной величиной для изотропных материалов, он высчитывается путем умножения единичного тензора Кронекера на абсолютную величину коэффициента теплового расширения. Вторым параметром формулы является приращение температуры.

Для минимизации вреда от термодрейфа конструкция измерительных головок дополняется компенсирующими вставками с различными коэффициентами сопротивления. При этом необходимо достигнуть нулевого баланса в сумме расширений в плечах конструкции. Так, снижение термодрейфа по оси Z достигается внедрением компенсирующих элементов, схожих по материалу и размерам с основными составными деталями зонда.

Особенности формирования и обработки изображений

Сканирование зондовым микроскопом сопоставимо с электронным лучом, движущимся по экрану телевизора с электроннолучевой трубкой. Движение осуществляется последовательно в прямом, обратном направлении с дальнейшим перемещением на следующую строку, называемым кадровой разверткой. Процесс активируется пилообразными напряжениями, которые формируются цифро-аналоговыми подпреобразователями. Контроль перемещений контролируется сканером.

Во время прямого прохода происходит регистрация данных о рельефе исследуемой местности. Данные записываются в виде СЗМ кадра, представляющего собой двумерный массив целых чисел a_ij. Оцифрованная при сканировании величина становится физическим смыслом чисел. Причем индексами ij обозначаются точки поверхности, находящиеся в поле для сканирования.

Чтобы получить точные координаты, требуется произвести расчет по формулам: x_i =x₀ ×i, y_j = y₀ × j. При этом показатели x₀ и y₀ представляют собой расстояние между точками оси X и Y, где сканируется информация.

Чаще всего кадры, полученные с микроскопа, представлены квадратными матрицами размера 2ⁿ. Для их визуализации используется компьютерная графика, позволяющая перевести цифровую информацию в трехмерные или двухмерные изображения.

3D визуализация предполагает построение оси Z = f(x, y) в аксонометрической перспективе пикселями и линиями. Дополнением служит использование одного из способов подсвечивания пикселей на основе высоты рельефа поверхностей. Эффективный метод раскраски схемы заключается в моделировании подсветки посредством точечного источника, установленного в точке пространства. Так удается сделать акцент на неровностях исследуемого рельефа. Инструменты компьютерной графики также используются для масштабирования и опции вращения объекта. При использовании визуализации 2D каждая точка приобретает соответствующий цвет в зависимости от координатных данных.

В передаваемых с зонда сведениях имеется постоянная величина, представляющая собой приведение в соответствие исследуемого образца с центром динамического диапазона перемещения сканера по оси Z. Поскольку для построения графика эта информация не требуется ввиду равенства значения рельефных высот в кадре, она удаляется программными способами.

Подведем итоги: поскольку точность передаваемой с зондового микроскопа информации зависит от сведения к минимуму внешних воздействий, при работе с устройством используются технологии, защищающие механизм от колебаний и температурных перепадов. Следующим этапом работы с информацией становится её правильная обработка. Для этого используются компьютерные технологии, позволяющие преобразовать цифровые координаты в двухмерные или трёхмерные цветовые схемы.