Нейромережа навчили виправляти дефектні голки в сканувальному тунельному мікроскопі

Канадські фізики розробили спосіб швидкого виявлення і виправлення дефектів на зондах скануючого тунельного мікроскопа, що використовуються для отримання зображень з атомною роздільною здатністю. Завдяки використанню згорточної нейромережі цей процес можна проводити швидко і в автоматичному режимі, пишуть вчені в.

Для отримання зображень методами скануючої тунельної або атомно-силової мікроскопії використовується скануюча голка-зонд, яка рухається вздовж досліджуваної поверхні і приймає сигнал певного виду (у першому випадку це тунельний струм, а в другому - механічна сила, що діє на голку). Чим вища роздільна здатність мікроскопа, тим тонше повинен бути кінчик цієї голки. Наприклад, сучасні прилади дозволяють проводити вимірювання з атомною роздільною здатністю, і для них використовуються металеві голки з вістрям товщиною в єдиний атом. При цьому за допомогою таких приладів можна не тільки отримувати зображення окремих молекул, адсорбованих на поверхні, але і переміщати по ній окремі атоми.

Однак при виготовленні зондів для таких мікроскопів або вже під час використання на деяких з них з'являються дефекти. Наприклад, досить часто зустрічаються голки з «подвійним» вістрям, на кінчику яких знаходиться не один скануючий атом, а два. Це, в свою чергу, призводить до появи артефактів на отримуваних зображеннях. Використовувати такі голки для переміщення атомів по поверхні теж не можна, тому в кожному окремому випадку необхідно визначити наявність дефекту, після чого або виправити його, або замінити голку.

Як правило, такі процедури займають досить довгий час, тому для прискорення цього процесу канадські фізики Мохаммад Рашиді (Mohammad Rashidi) і Роберт Волков (Robert A. Wolkow) з Альбертського університету запропонували знаходити і виправляти дефектні зонди з подвійним вістрям в автоматичному режимі за допомогою машинного навчання. Для реалізації методу вчені запропонували використовувати кремнієву платівку, покриту шаром з атомів водню. Деякі зі зв'язків на поверхні були розірвані, і на зображенні поверхні, отриманому тунельним мікроскопом при різності потенціалів ‑ 1,8 вольта кожна така нескомпенсована зв'язок відображається у вигляді яскравої плями. Якщо зонд знаходиться в нормальному стані, то кожній розірваного зв'язку відповідає єдина пляма, якщо ж вістря зонда роздвоюється, то і зображення кожної плями дублюється.

Саме цю особливість автори роботи і запропонували використовувати для автоматичного виявлення дефектних голок. Основу розробленого вченими методу склала згорточна нейромережа, яка за допомогою досліджуваної голки зображення поверхні могла визначити наявність на голці дефектів. Для навчання нейромережі вчені використовували набір з приблизно 3500 зображень, отриманих за допомогою як гострих, так і дефектних голок.

За словами вчених, навчена нейромережа змогла визначити наявність дефекту на голці мікроскопа з точністю 97 відсотків, а в разі використання декількох точок порівняння точність збільшується і до 99 відсотків. При цьому запропонований авторами підхід дозволяє не тільки знаходити дефекти, а й виправляти їх. Так, при виявленні у голки подвійного вістка для «лагодження» голка контрольовано втискається в поверхню, після чого знову перевіряється на наявність дефектів. Зазвичай після декількох (від 5 до 10) таких процедур від дефекту вдається позбутися і голка може бути використана для отримання зображень або переміщення атомів по поверхні.

Автори роботи зазначають, що запропонований ними метод дозволяє зробити операцію з пошуку і виправлення дефектних голок для скануючого зондового мікроскопа рутинною процедурою, що не забирає багато часу. За словами фізиків, у майбутньому такий метод можна буде використовувати і для інших типів матеріалів, у тому числі і в автоматичному режимі.

Часто для підвищення дозволу на кінчик металевої голки адсорбують інертну молекулу газу, наприклад CO або ксенона. За допомогою таких зондів можна не тільки отримувати зображення органічних молекул, а й синтезувати речовини, які іншими методами отримати не вдається. Наприклад, нещодавно за допомогою скануючого тунельного мікроскопа хімікам вдалося синтезувати молекулу декацена. При цьому для збільшення точності молекулу газу на кінчику металевого зонда можна замінити атомом кисню, приєднаним до зонду ковалентними зв'язками. Детальніше різних сучасних методах скануючої зондової мікроскопії ви можете прочитати в нашому матеріалі «На голці».