Канадские физики разработали способ быстрого обнаружения и исправления дефектов на зондах сканирующего туннельного микроскопа, используемых для получения изображений с атомным разрешением. Благодаря использованию сверточной нейросети этот процесс можно проводить быстро и в автоматическом режиме, пишут ученые в ACS Nano.

Для получения изображений методами сканирующей туннельной или атомно-силовой микроскопии используется сканирующая иголка-зонд, которая двигается вдоль исследуемой поверхности и принимает сигнал определенного вида (в первом случае это туннельный ток, а во втором — действующая на иголку механическую сила). Чем выше разрешение микроскопа, тем тоньше должен быть кончик этой иголки. Например, современные приборы позволяют проводить измерения с атомным разрешением, и для них используются металлические иголки с острием толщиной в единственный атом. При этом с помощью таких приборов можно не только получать изображения отдельных молекул, адсорбированных на поверхности, но и перемещать по ней отдельные атомы.

Однако при изготовлении зондов для таких микроскопов или уже во время использования на некоторых из них появляются дефекты. Например, довольно часто встречаются иголки с «двойным» острием, на кончике которых находится не один сканирующий атом, а два. Это, в свою очередь, приводит к появлению артефактов на получаемых изображениях. Использовать такие иголки для перемещения атомов по поверхности тоже нельзя, поэтому в каждом отдельном случае необходимо определить наличие дефекта, после чего или исправить его, или заменить иголку.

M. Rashidi & R. A. Wolkow / ACS Nano, 2018

Как правило, такие процедуры занимают довольно долгое время, поэтому для ускорения этого процесса канадские физики Мохаммад Рашиди (Mohammad Rashidi) и Роберт Волков (Robert A. Wolkow) из Альбертского университета предложили находить и исправлять дефектные зонды с двойным острием в автоматическом режиме с помощью машинного обучения. Для реализации метода ученые предложили использовать кремниевую пластинку, покрытую слоем из атомов водорода. Некоторые из связей на поверхности были разорваны, и на изображении поверхности, полученном туннельным микроскопом при разности потенциалов −1,8 вольта каждая такая нескомпенсированная связь отображается в виде яркого пятна. Если зонд находится в нормальном состоянии, то каждой разорванной связи соответствует единственное пятно, если же острие зонда раздваивается, то и изображение каждого пятна дублируется.

Именно эту особенность авторы работы и предложили использовать для автоматического обнаружения дефектных иголок. Основу разработанного учеными метода составила сверточная нейросеть, которая по полученному с помощью исследуемой иголки изображению поверхности могла определить наличие на иголке дефектов. Для обучения нейросети ученые использовали набор из примерно 3500 изображений, полученных с помощью как острых, так и дефектных иголок.

Примеры изображений отдельных атомов, которые использовались для обучения нейросети. Сверх приведены изображения, полученные с помощью дефектного зонда, снизу — с помощью острого зонда. M. Rashidi & R. A. Wolkow / ACS Nano, 2018

По словам ученых, обученная нейросеть смогла определить наличие дефекта на иголке микроскопа с точностью 97 процентов, а в случае использования нескольких точек сравнения точность увеличивается и до 99 процентов. При этом предложенный авторами подход позволяет не только находить дефекты, но и исправлять их. Так, при обнаружении у иголки двойного острия для «починки» иголка контролируемо вдавливается в поверхность, после чего снова проверяется на наличие дефектов. Обычно после нескольких (от 5 до 10) таких процедур от дефекта удается избавиться и иголка может быть использована для получения изображений или перемещения атомов по поверхности.

Изображения поверхности, полученные в процессе исправления дефекта на зонде сканирующего микроскопа с помощью нейросети. M. Rashidi & R. A. Wolkow / ACS Nano, 2018

Авторы работы отмечают, что предложенный ими метод позволяет сделать операцию по поиску и исправлению дефектных иголок для сканирующего зондового микроскопа рутинной процедурой, не отнимающей много времени. По словам физиков, в будущем такой метод можно будет использовать и для других типов материалов, в том числе и в автоматическом режиме.

Часто для повышения разрешения на кончик металлической иголки адсорбируют инертную молекулу газа, например CO или ксенона. С помощью таких зондов можно не только получать изображения органических молекул, но и синтезировать вещества, которые другими методами получить не удается. Например, недавно с помощью сканирующего туннельного микроскопа химикам удалось синтезировать молекулу декацена. При этом для увеличения точности молекулу газа на кончике металлического зонда можно заменить атомом кислорода, присоединенным к зонду ковалентными связями. Подробнее различных современных методах сканирующей зондовой микроскопии вы можете прочитать в нашем материале «На игле».

Автор: Александр Дубов