автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Информационно-экспертная система для исследования пространственной структуры тонких металлических пленок на наноуровне

Санкт-Петербургский Государственный Университет

На правах рукописи

005005178

Федоров Артур Григорьевич

Информационно-экспертная система для исследования пространственной структуры тонких металлических пленок на наноуровне

05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (по прикладной математике и процессам управления)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК ?011

Санкт-Петербург 2011

005005178

Работа выполнена на кафедре Моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета Прикладной математики — процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Карпов Андрей Геннадьевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Веремей Евгений Игоревич, СПбГУ

кандидат технических наук, доцент Яновский Владислав Васильевич, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Ведущая организация: Московский физико-технический

институт (технический университет)

Защита состоится 28 декабря 2011 г. в 13 часов на заседании Совета

Д.212.232.50 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-

Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Менделеевский центр.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. A.M. Горького Санкт-Петербурского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Автореферат размещен на сайте www.spbu.ru.

Автореферат разослан « J-Ч » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Курбатова Г.И.

доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время во всем мире уделяется все возрастающее внимание исследованию и диагностике микро- и наноструктуры твердотельных объектов применительно к созданию новых полупроводниковых наноприборов, углеродных нанотрубок, металлов и сплавов, алмазных пленок, керамических материалов и приборов на их основе. Знание их строения на наноуровне, а также анализ различных параметров, включая границы раздела и электронные связи в кристаллических решетках, которые во многом определяют прочностные и электронные свойства получаемых новых материалов, влияет на прогнозирование и оценку эффективности и надежности твердотельных систем, на выбор технологии получения этих материалов, а так же на их применение в различных приборах.

Для исследования атомной структуры объекта применяются различные экспериментальные методы, среди них можно выделить метод дифракции медленных электронов, рентгеноструктурный анализ и некоторые др. Но не один из них не позволяет получать информацию о трехмерной (ЗБ) структуре объектов.

Теория и практика исследования твердотельных структур на наноуровне требуют создания как экспериментальных, так и информационно-экспертных систем (ИЭС), позволяющих получать экспериментальную информацию и проводить экспертизу этих структур в пространственном представлении.

Проведенный нами анализ показал, что основой такой системы может стать электронно-голографический метод и созданная на его основе экспериментальная установка, которую можно назвать низкоэнергетическим проекционным электронным микроскопом (НПЭМ), являющаяся одним из модулей ИЭС.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к устройствам такого рода, установка должна включать:

1. источник монохроматического электронного пучка;

2. прецизионную систему управления катодным блоком с энергией, гарантирующей неразрушение диагностируемого объекта диагностирующим пучком;

3. чувствительную систему детектирования пучка, несущего информацию об исследуемом объекте.

Практически реализовать уникальные достоинства НПЭМ можно, если в качестве источника электронов использовать полевой металлический электронный катод (ПЭК) (см. рис. 1), при обязательном условии — проведении всех исследований в сверхвысоком вакууме, не хуже 5 • КГ9 мм.рт.ст. Важнейшим преимуществом этих катодов является то, что они позволяют получать, в отличие от широко применяемых термокатодов, монохроматические электронные пучки.

Рис. 1. Полевой электронный катод.

Неразрушающий контроль обеспечивается тогда, когда энергия электронного пучка не превышает 200 эВ. Это накладывает дополнительные требования к детектору для регистрации монохроматических лучей. Вследствие низкой энергии электронного пучка к детектору предъявляется требование усиления сигнала. В функции детектора должны также входить увеличение и отображение монохроматического луча в виде двумерного изображения.

Так как для реконструкции структуры необходимо специальное математическое и программное обеспечение, обязательным структурным элементом ИЭС должен быть информационный модуль.

Таким образом, задача разработки системы получения и обработки топографических изображений с целью исследования структур сложных твердотельных систем решается путем создания информационно-экспертной системы, состоящий из двух модулей: экспериментальной установки и информационного модуля, обеспечивающего оптимальное управление экспериментальной установкой, обработку экспериментальной информации, структурно-параметрический синтез и идентификацию структур твердотельных систем, оценку их качества и надежности, визуализацию, преобразование и анализ голографической структурной информации. Из сказанного выше следует, что тема диссертационной работы несомненно актуальна.

Цель работы заключалась в проведении теоретических и экспериментальных исследований системных связей и закономерностей процессов реконструкции твердотельных нано- и микроструктур на основе голографического метода исследования, направленных на повышение их эффективности с использованием современных методов обработки информации. Практическая реализация поставленной цели потребовала решения следующих взаимообусловленных и взаимодополняющих задач:

1. анализ возможностей теоретического и экспериментального исследования трехмерной структуры нанопленок;

2. выработка и реализация требований к экспериментальной установке исследования трехмерных наноструктур с помощью голографического метода;

3. выработка и реализация требований к информационно-экспертной системе применительно к задачам получения и обработки голографической информации;

4. исследование и разработка методов и алгоритмов структурно-параметрической идентификации, синтеза и анализа топографических изображений трехмерных наноструктур;

5. разработка компьютерных методов и алгоритмов визуализации, преобразования топографических изображений для анализа информации в ЗО форме.

Методы исследования. Исследования проводились взаимодополняющими методами системного анализа, физического и математического моделирования, численного и натурного эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые была:

1. предложена концепция построения и создания информационно-экспертной системы (ИЭС), проблемно-ориентированной на исследование ЗБ-структуры тонких пленок металла по их голографическим изображениям;

2. разработана методика описания голографических изображений тонких металлических пленок;

3. создано математическое и программное обеспечение, сочетающее в себе сбор, хранение, обработку и анализ экспериментальной информации, протестированное в ИЭС;

4. практически реализована проблемно-ориентированная ИЭС и проведено ее тестирование.

Положения выносимые на защиту:

1. концепция построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на комплексное исследование тонких пленок металла по их голографическим изображениям;

2. структура комплекса технических и программных средств для исследования трехмерных наноструктур на базе информационно-экспертной системы;

3. метод описания голографических изображений объекта, представляющего тонкую пленку металла;

4. алгоритмы реконструкции голографических изображений;

5. математическое и программное обеспечение обработки и визуализации голографической информации.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. разработана структура, обеспечивающая максимальную гибкость в создании, изменении и наладке специализированного программного обеспечения (ПО), реализующего программу исследований трехмерных наноструктур с помощью топографического метода на заданных технических средствах компьютерной системы. Создано компактное, эффективное ПО;

2. разработанные алгоритмы и программы и адаптация существующего ПО позволяют эффективно использовать распространенные компьютерные средства для контроля состояния твердотельных наноструктур;

3. выполнена реализация компьютерной системы обработки визуализированной и графической информации, включающей системные и обрабатывающие программы;

4. разработана экспериментальная установка по получению голографических изображений объекта исследования.

Комплекс средств может быть использован как в научных исследованиях, так и в промышленности: для экспресс-анализа состояния материалов, непрерывного контроля состояния подложки и процесса нанесения активных и пассивных элементов микросхем и т.п.

Результаты работы были апробированы на:

1.ХЫ международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2010);

2. всероссийской конференции «Устойчивость и процессы управления», посвященной 80-летию со дня рождения проф., чл.-корр. РАН В. И. Зубова (1930-2000) (Санкт-Петербург, 2010);

3. международной научной конференции 8Т11А№^-2011 (Санкт-Петербург 2011г.).

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ [1-6].

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 94 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Список литературы включает 44 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе отмечается актуальность проведенных исследований и их практическая ценность, сформулированы цели, методы и направление исследований, дается обзор основных положений диссертации.

В первой главе излагается методика исследования и детализируется постановка задачи. Проведен анализ результатов как теоретических, так и экспериментальных исследований с применением голографии, выполненных ранее. Дается обобщенное представление о методе электронной голографии.

Среди различных методов электронной микроскопии именно электронная голография предоставляет уникальный метод для определения фазового сдвига электронной волны.

Электронная голография осуществляется посредством двухстадийного процесса получения изображения. На первой стадии формируется голограмма путем наложения объектной волны на опорную волну в плоскости экране (см. рис. 2а).

Обратим внимание на объект исследования и расстояния между источником пучка электронов и объектом исследования. Электроны, ускоренные до энергий порядка 20ч-200 эВ, рассеиваются атомами образца, расположенного на расстоянии й = 0,1*1 мкм. На экране на расстоянии порядка £) = 10 см за объектом формируется изображение с увеличением М = £>/с1. Для разрешения атомов кристаллической решетки тонких пленок необходимо достичь увеличения не менее М« 105, что и определяет расстояние от острийного катода до объекта исследования при постоянном расстоянии от объекта до экрана, равном 10 см.

На второй стадии осуществляется реконструкция топографического изображения объекта (см. рис. 26).

Анализ состояния исследований с помощью электронной голографии показал, что достижение цели диссертационной работы потребовало решения ряда взаимосвязанных задач:

Экран

Источник электронов

Исследуемый объект ,--

¿-тГ"' ; : »

I : 1

1

а)

б)

Рис. 2. Процесс получения электронного голографического изображения.

а) формирование голограммы в электронном микроскопе;

б) общая схема голографического исследования.

выработка и реализация требований к экспериментальной установке исследования трехмерных наноструктур с помощью голографического метода;

• выработка и реализация требований к информационно-экспертной системе применительно к задачам получения и обработки голографической информации;

• разработка методов и алгоритмов структурно-параметрической идентификации, синтеза и анализа голографических изображений трехмерных наноструктур;

• разработка компьютерных методов и алгоритмов визуализации и преобразования голографических изображений для анализа информации в ЗВ форме.

Вторая глава посвящена реализации системы исследования характеристик тонких пленок металла. Рассмотрены и решены проблемы разработки целостной концепции построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на объемное исследование структур объектов голографическим методом, разработки структуры комплекса технических и программных средств диагностики на базе информационно-экспертной системы.

Решение поставленных задач привело к необходимости разработки и реализации информационно-экспертной системы (ИЭС), структура, которой представлена на рис. 3.

ИЭС состоит из двух взаимосвязанных частей: инструментального модуля (экспериментальная установка) и информационного модуля, включающего подсистемы управления инструментальными модулями, сбора, хранения и обработки экспериментальной информации, а также выдачи данных (экспериментальных данных, промежуточных и окончательных результатов обработки), в том числе в графической форме.

Реализация обработки экспериментальных данных является одной из важнейших функций ИЭС. Обработка данных осуществляется в два этапа:

1) первичная обработка, при которой информация, полученная с инструментального модуля, обрабатывается известными алгоритмами

цифровой обработки изображений;

10

2) вторичная обработка осуществляет реконструкцию голографических изображений для исследования и анализа структуры исследуемого объекта в трехмерном виде.

Экспериментальное исследование

Рис. 3. Структура ИЭС.

Функциями информационно-экспертной системы являются:

• проверка научных гипотез и/или технических проектов;

• создание рабочей программы исследования структуры объекта в трехмерной

форме;

• обработка информации, содержащейся в базе данных: интерполяция и

экстраполяция экспериментальной информации для требуемой задачи, объединение результатов исследований различной физической природы;

• предоставление информации о проведенных и текущих исследованиях в

режиме реального времени;

• автоматизация управления инструментальным модулем;

• реализация вывода информации из базы данных или информации,

непосредственно полученной инструментальным модулем.

Инструментальный модуль получения топографических изображений объекта в сверхвысоком вакууме (см. рис. 4) включает технические средства, обеспечивающие сбор полной информации о характеристиках исследуемого образца.

Рис. 4. Обобщенная структурная схема инструментального модуля ИЭС для голографических исследований структур объектов.

Немаловажным условием образования на чувствительной системе детектирования пучка сигнала в виде чередования темных и белых полос (колец) является соответствующая толщина исследуемого объекта. При исследовании

тонких пленок металла преобладает многократное рассеяние, где присутствует как классическая дифракция, так и голографическая. Для получения изображения тонких пленок голографическим способом необходимо, чтобы преобладала голографическая дифракция. Поэтому остро встает вопрос о толщине пленок, такой, чтобы электроны, прошедшие пленку без рассеяния, составляли основную часть прошедших электронов. Для оценки этого параметра нами был предложен и использован метод баллистической электронной спектроскопии. Результаты этих исследований представлены на рис. 5.

70 60 50 чО С4 140 1 30 ►ч 20 10

---ч-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Б, А

Рис. 5. Зависимость доли баллистических электронов, прошедших через пленку Аи, напыленную на ОаР, от общего их числа при возрастании толщины пленки.

Из рис. 5 видно, что для золота до толщины пленки 25 А доля баллистических электронов, т.е. прошедших без рассеяния, составляет более 50% от общего числа падающих электронов. Длина диффузии электронов для упругих и неупругих столкновений соответствует 60 А и 100 А, соответственно, что подтверждает возможность прохождения рассеянных электронов сквозь пленки, данной толщины, и дальнейшее их взаимодействие с опорной волной на экране для образования дифракционной картины. Условия этого эксперимента близки к условиям нашей экспериментальной установки. Следовательно, толщина исследуемых металлических пленок ограничивается величиной порядка 20 А.

13

Выбор чувствительной системы детектирования пучка играет определяющую роль. Проведенный нами анализ системы детектирования, основанный на результатах тестирования блока регистрации изображений, показал, что для наших целей идеально подходит координатно-чувствительный детектор (рис. 6) на основе микроканальной пластины (МКП) с люминесцентным экраном.

-Экран

Рис. 6. Координатно-чувствительный детектор (КЧД).

Стенка канала

Вторичные элеюроны Рис. 7. Умножение электронов в микроканальной пластине.

Экран

Микроканальная пластина предназначена для работы в сверхвысоком вакууме в качестве вторично-электронного усилителя пространственно-организованных потоков электронов. МКП с конструктивной точки зрения — это стеклянный диск, который состоит из миниатюрных трубчатых каналов, диаметр которых составляет ~6 мкм. Влетающий в канал электрон вблизи входа сталкивается поверхностью, осуществляя первое соударение (рис. 7). При этом выбивается некоторое количество вторичных электронов. Попав в электрическое поле канала, вторичный электрон набирает энергию, сталкивается со стенкой и вновь генерирует вторичный электрон. Указанный процесс повторяется многократно.

Экран КЧД представляет собой люминесцентный экран. Электроны, ускоренные на МКП попадают на люминесцентный экран, образуя на нем изображение «сигнала». Изображение на выходе КЧД, т.е. на экране, используется как исходная информация для реконструкции трехмерной структуры исследуемого объекта. Для работы экрана необходимо напряжение 4-5 кВ. Яркость экрана КЧД можно регулировать с помощью энергии на выходе МКП и экранным напряжением.

Решению вопросов разработки и реализации технических средств, алгоритмического и программного обеспечения посвящены главы 3 и 4.

Третья глава посвящена созданию математического аппарата для описания голографических изображений тонких металлических пленок, его адаптации для нашей конкретной задачи и разработке метода реконструкции трехмерных наноструктур пленок металла по топографическим изображениям.

В микроскопе точечный источник электронов эмиттирует сферически симметричную волну на сравнительно большие расстояния от него. Периодические структуры, облученные такой сферической волной, создают Фурье-изображение. Сферическая волна имеет вид:

(г) = (г| = 1ехр(^)[] +±±с,т (-,)' Г [£Т ' |_ /-1 т—1 \Г/.

(1)

где ц/<щ) — волновая функция падающей волны, г — радиус вектор точки объекта от источника волны, г — модуль вектора г, к — волновое число, У" — сферическая гармоника степени I и порядка т, с1т — коэффициенты Клебша— Гордона, / — мнимая единица.

Используя описание рассеяния на объектной пленке на основе уравнения Липмана—Швингера и предполагая вид рассеивающего потенциала объектной пленки в виде суммы постоянного внутреннего потенциала У0 и псевдопотенциалов атомов с координатами г(:

была получена волновая функция у/(г) с учетом уже двойного рассеивания:

_ ехр(/£г)

где

1=1т—1 \ГУ

(3)

х£(2/ + 1)т,Р,[|1ехр(/А7;) + ^ехр

\гг')г< г ггг,

-Л* \ гги

ТГГ>

V 1 1 /

Рг

){ггп)

(4)

7ехР(/Ь>)-

Из волновой функции (3) можно определить изображение на экране на расстоянии Ь как:

(5)

где

(6)

>г(г)|2=1

г1 1 г

Здесь зависимость от волновой функции (3) означает, что реконструкция трехмерной структуры объекта из интерференционной картины (кендрограммы) может быть выполнена с помощью преобразования Кирхгофа—Гельмгольца:

,50

К(г) = ||/(!;)ехр

¡к-

Л2*,

(7)

где — интенсивность изображения, — радиус-вектор точки

экрана от источника электронов, X, V — координаты точки экрана, £> — расстояние от источника электронов до экрана, г (х,у,г)— радиус вектор точки объекта от источника электронов. Отметим, что преобразование (7) является нелинейным.

Линеаризация была достигнута с помощью следующего преобразования координат:

Поставляя (8) в (7) и считая, что фазовый множитель £ в знаменателе является постоянной величиной, равной Д получаем:

К(г) = Д7'(Л",Г)ехр(;1(хГ + уГ))с1Х'сПГ, (9)

у

где /' имеет вид:

ПХ\Г) = 1{Х{Х,Г),¥{Х,,Г))[^ ехр^гЪ-0 (10)

Для реализации вычислений необходимо выражение (9) представить в дискретной форме:

(и)

где шаги дискретизации для х,у,Х',У соответственно равны:

х = хп=хд + п8х,

х (12)

Г = Гг = Г0+ГА'у, (13)

здесь и,/я,у',/ = 0,1,...,ЛГ-1, а N — количество пикселей дискретного изображения по столбцу и по строке.

Ключевой идеей предложенного метода обработки топографической информации для реконструкции структуры объекта является преобразование истемы координат (8), которое, к сожалению, порождает проблему отсутствия ространственного выравнивания. Это делает невозможным применение пгоритма быстрого преобразования Фурье, необходимого для обработки зображений в режиме реального времени (минимальный информационный бъем изображения составляет 3 Мб). Указанная проблема решается путем эответствующего определения величин Д'^ и А'у:

^[Х+О^к] РХ0

а;=-

Р\¥0 + (Н-\)АУ]__

здесь Х0г У0 — координаты центра изображения; Дх, Ау — величины шагов

дискретизации исходного изображения по соответствующим координатам.

В итоге получаем окончательное выражение для реализации вычислений, обеспечивающих реконструкцию структуры объекта по топографическому изображению:

^™ = А'Лехр

¡к

(х0 + пдх)Х0+(у0 + пду)¥0

„ „ ( „ . V« + у'т ^. А^ехр] -2т--

(15)

где

'/*(2>0Л', +2у>0д; +7Ча: + Аа;)1 (2ю{у/+х'Г)]

2Э еХЧ " У

( 2 л пу

¡к/ЗА' ^

К\у = Е /'^ехр

).Г=о

Четвертая глава посвящена разработке методов, алгоритмов и специального программного обеспечения (ПО), обеспечивающих диагностику и обработку информации, полученной с инструментального модуля. Здесь также представлены результаты исследований с использованием методов натурного и численного эксперимента.

Предложенный принцип построения структуры ПО (рис. 8), обеспечивает высокую гибкость в отношении:

• использования известных аппаратных средств;

• использования оригинальных аппаратных средств, требующих разработки;

• использования известных алгоритмов и программ, а также их адаптации;

• разработки и реализации оригинальных программных средств;

• компоновки всей системы в целом, в том числе в направлении оптимизации

используемых ресурсов.

С

I Пнфсдеюшвюшна&фовамп

ДраГвф устройств* регистрации изображений

Бдззроваше, масштабу о-ванпе н калибровка установки

Протраиш экспертюпа

Проведеннезютергшшм по задимоП цнирмше

Баз» данных экспериментов

>

База данных иод елей

Получение ыодеш

Параиетрыиоделп

Прсюбртбопа ■поврюпвй

Фплирздн

Оллашшпят

Корршпифихтаот

Вычшатефона

Офсаспопепараиарт фрашшпя

Содержательная обработка голографнческих изображений

Реконструкция 31)-структуры объекта

Задание параметров изображения 31)-структуры объекта

Форм|фоваиие изображения ЗЪ-сгруктуры объекта

Определение параметров структуры объекта

Синенные средства

Отображение графических данных

Связь с базоАданных

Печать

Рис. 8. Структура программного обеспечения.

Каждый элемент ПО может быть отнесен к одному из следующих типов: системная программа, обеспечивающая связь с соответствующим устройством и включаемая в состав используемой операционной системы;

• системная подпрограмма — модуль, обслуживающий работ

специализированного ПО;

• функциональная подпрограмма — выполняющая задание управляющи:

воздействий на физическую установку, ввод и обработку данных, вывод н внешнюю память и на другие системные устройства компьютера;

• модули базы данных информационно-экспертной системы.

При предварительной обработке графической информации нами используется фильтрация, изменение контрастности, операция вырезания ненужной информации, выделение границ и объектов на базе медианного фильтр с передачей их интенсивности без искажений и флуктуации.

Рис. 9. Обобщенная блок-схема реконструкции ЗО-структуры объекта по голографическому изображению.

Обобщенная блок-схема реконструкции ЗБ-структуры объекта элографическому изображению представлена на рис. 9.

Ввод 1х, I,

Ых = Ыу = 1х; = 1у

конец

Рис. 10. Структура алгоритма реконструкции ЗБ-структуры объекта по голографическому изображению.

Для реконструкции топографических изображений объекта исследовани проведена разработка и реализация алгоритмов регистрации изображена Обеспечено сравнение расчетных и экспериментальных данных (изображений).

Структура алгоритма реконструкции трехмерной структуры исследуемог объекта по топографическому изображению представлена на рис. 10.

Принципы, заложенные в структуру программного обеспечени информационно-экспертной системы, обеспечивают возможность е модификации путем замены модулей и блоков с возможностью последующег развития всех основных компонентов при появлении новых решений и эволюци технологий, а также проводимых с их помощью исследований.

В заключении подведены основные итоги диссертационной работы.

В приложении 1 приведена реализация программного обеспечения.

В приложении 2 приведена общая схема низкоэнергетическог проекционного электронного микроскопа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Федоров А.Г., Егоров Н.В., Карпов А.Г., Антонова Л.И., Трофимов В.В. М< тодика исследования пространственной структуры тонких пленок на нанс уровне И Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные иссл( дования, 2011, № 10, С. 83-86.

2. Федоров А.Г., Карпов А.Г. Численное восстановление топографически изображений для исследования структуры тонких пленок // Вестн. С Петерб. ун-та. Сер 10: Прикладная математика, информатика, процесс управления. 2010. Вып. 2. С. 76-80.

3. Федоров А.Г., Антонова Л.И. К вопросу об исследовании атомной структуры // Процессы управления и устойчивость: Труды 41-й международной научной конференции студентов и аспирантов / Под ред. Н.В. Смирнова, Г.Ш. Тамасяна. СПб: Издат. дом СПбГУ, 2010. С. 243-246.

4. Федоров А.Г., Карпов А.Г. Численное восстановление голографических изображений для исследования структуры тонких пленок // Труды Всероссийской конференции «Устойчивость и процессы управления», посвященная 80-летию со дня рождения В.И. Зубова. Санкт-Петербург. 2010. С.С. 120-123.

5. Федоров А.Г., Антонова Л.И., Егоров Н.В., Карпов А.Г., Трофимов В.В. Алгоритм восстановления трехмерной атомной структуры исследуемого образца по топографическим изображениям // Материалы второй международной конференции БТКАМЫ «Приоритетные направления научных исследований нанообъектов искусственного и природного происхождения» 25-26 мая 2011 г. Санкт-Петербург. С. 23-24

6. Федоров А.Г., Антонова Л.И., Егоров Н.В., Карпов А.Г., Трофимов В.В. Методика неразрушающего контроля и исследования пространственной структуры тонких пленок металлов в топографическом микроскопе// Высокие технологии, образование, промышленность. Т.З: Сборник статей Одиннадцатой международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности», 27-29 апреля 2011, Санкт-Петербург, Россия/ под ред. А.П. Кудинова. -СПб.: Изд-во Политехи, университета, 2011. -С. 212-214

Подписано к печати 16.11.11. Формат 60 х 84 'А. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,00. _Тираж 100 экз. Заказ 5295._

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043,428-6919

Введение

Глава 1. Голографические методы исследования структуры объектов

1.1. Анализ современного состояния в области исследования 10 структур объектов голографическим методом

1.2. Низкоэнергетический электронный микроскоп. Метод 15 получения голографических изображений объектов

1.2.1. Безлинзовый низкоэнергетический проекционный 15 электронный микроскоп

1.2.2. Модель Финка

1.2.3. Модель Р. Морина

1.3. Математическое описание движения электронов 19 в низкоэнергетическом электронном микроскопе

1.4. Алгоритмическое и программное обеспечение реконструкции 23 голографических изображений

1.4.1. Требования к программному обеспечению

1.4.2.Программное обеспечение обработки изображений

1.5. Выводы

Глава 2. Информационно-экспертная система получения и обработки голографической информации.

2.1. Комплекс информационно-экспертной системы 27 для получения и обработки голографической информации.

2.2. Инструментальный модуль информационно-экспертной системы

2.2.1. Исследование атомной структуры тонких металлических пленок

2.2.2. Технические средства экспериментальной установки

2.3. Система обработки и хранения визуализированной информации

2.4. Задачи разработки программного обеспечения

Глава 3. Численный метод реконструкции голографических изображений 44 тонких металлических пленок

3.1. Математическое описание образования голографического 44 изображения объекта исследования в вакуумной установке

3.2. Модель голографического изображения объекта исследования

3.3. Оценка информативности голографических изображений объекта 51 исследования

3.4. Выводы

Глава 4. Информационное обеспечение и программная поддержка анализа и обработки голографической информации

4.1. Структура информационно-экспертной системы

4.2. Программное обеспечение информационного модуля

4.3. Предварительная обработка визуализированной информации

4.4. Алгоритм реконструкции структуры исследуемого образца по 74 голографическим изображениям

4.5. Тестирование информационно-экспертной системы для исследования 76 пространственной структуры тонких металлических пленок по голографическим изображениям

4.5.1. Тестирование инструментального модуля

4.5.2. Аппаратные ресурсы вычислительной системы

4.5.3. Интерфейс программного обеспечения для исследования 81 пространственной структуры тонких металлических пленок

4.5.4. Тестирование программного обеспечения получения и обработки 84 голографической информации

Актуальность темы. В настоящее время во всем мире уделяется все возрастающее внимание исследованию и диагностике микро- и наноструктуры твердотельных объектов применительно к созданию новых полупроводниковых наноприборов, углеродных нанотрубок, металлов и сплавов, алмазных пленок, керамических материалов и приборов на их основе. Знание их строения на наноуровне, а также анализ различных параметров, включая границы раздела и электронные связи в кристаллических решетках, которые во многом определяют прочностные и электронные свойства получаемых новых материалов, влияет на прогнозирование и оценку эффективности и надежности твердотельных систем, на выбор технологии получения этих материалов, а так же на их применение в различных приборах.

Для исследования атомной структуры объекта применяются различные экспериментальные методы, среди них можно выделить метод дифракции медленных электронов, рентгеноструктурный анализ и некоторые др. Но не один из них не позволяет получать информацию о трехмерной (ЗО) структуре . объектов.

Теория и практика исследования твердотельных структур на наноуровне требуют создания как экспериментальных, так и информационно-экспертных систем (ИЭС), позволяющих получать экспериментальную информацию и проводить экспертизу этих структур в пространственном представлении.

Проведенный нами анализ показал, что основой такой системы может стать электронно-голографический метод и созданная на его основе экспериментальная установка, которую можно назвать низкоэнергетическим проекционным электронным микроскопом (НПЭМ), являющаяся одним из модулей ИЭС.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к устройствам такого рода, установка должна включать:

1. источник монохроматического электронного пучка;

2. прецизионную систему управления катодным блоком с энергией, гарантирующей неразрушение диагностируемого объекта диагностирующим пучком;

3. чувствительную систему детектирования пучка, несущего информацию об исследуемом объекте.

Практически реализовать уникальные достоинства НПЭМ можно, если в качестве источника электронов использовать полевой металлический электронный катод (ПЭК) (см. рис. 1), при обязательном условии — проведении всех исследований в сверхвысоком вакууме, не хуже 5 -10"9 мм.рт.ст. Важнейшим преимуществом этих катодов является то, что они позволяют получать, в отличие от широко применяемых термокатодов, монохроматические электронные пучки.

Рис. 1. Полевой электронный катод.

Неразрушающий контроль обеспечивается тогда, когда энергия электронного пучка не превышает 200 эВ. Это накладывает дополнительные требования к детектору для регистрации монохроматических лучей. Вследствие низкой энергии электронного пучка к детектору предъявляется требование усиления сигнала. В функции детектора должны также входить увеличение и отображение монохроматического луча в виде двумерного изображения.

Так как для реконструкции структуры необходимо специальное математическое и программное обеспечение, обязательным структурным элементом ИЭС должен быть информационный модуль.

Таким образом, задача разработки системы получения и обработки голографических изображений с целью исследования структур сложных твердотельных систем решается путем создания информационно-экспертной системы, состоящий из двух модулей: экспериментальной установки и информационного модуля, обеспечивающего оптимальное управление экспериментальной установкой, обработку экспериментальной информации, структурно-параметрический синтез и идентификацию структур твердотельных систем, оценку их качества и надежности, визуализацию, преобразование и анализ голографической структурной информации. Из сказанного выше следует, что тема диссертационной работы несомненно актуальна.

Цель работы заключалась в проведении теоретических и экспериментальных исследований системных связей и закономерностей процессов реконструкции твердотельных нано- и микроструктур на основе голографического метода исследования, направленных на повышение их эффективности с использованием современных методов обработки информации. Практическая реализация поставленной цели потребовала решения следующих взаимообусловленных и взаимодополняющих задач:

1. анализ возможностей теоретического и экспериментального исследования трехмерной структуры нанопленок;

2. выработка и реализация требований к экспериментальной установке исследования трехмерных наноструктур с помощью голографического метода;

3. выработка и реализация требований к информационно-экспертной системе применительно к задачам получения и обработки голографической информации;

4. исследование и разработка методов и алгоритмов структурно-параметрической идентификации, синтеза и анализа голографических изображений трехмерных наноструктур;

5. разработка компьютерных методов и алгоритмов визуализации, преобразования голографических изображений для анализа информации в ЗЭ форме.

Методы исследования. Исследования проводились взаимодополняющими методами системного анализа, физического и математического моделирования, численного и натурного эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые была:

1. предложена концепция построения и создания информационно-экспертной системы (ИЭС), проблемно-ориентированной на исследование ЗЭ-структуры тонких пленок металла по их голографическим изображениям;

2. разработана методика описания голографических изображений тонких металлических пленок;

3. создано математическое и программное обеспечение, сочетающее в себе сбор, хранение, обработку и анализ экспериментальной информации, протестированное в ИЭС;

4. практически реализована проблемно-ориентированная ИЭС и проведено ее тестирование.

Положения выносимые на защиту:

1. концепция построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на комплексное исследование тонких пленок металла по их голографическим изображениям;

2. структура комплекса технических и программных средств для исследования трехмерных наноструктур на базе информационно-экспертной системы;

3. метод описания голографических изображений объекта, представляющего тонкую пленку металла;

4. алгоритмы реконструкции голографических изображений;

5. математическое и программное обеспечение обработки и визуализации голографической информации.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. разработана структура, обеспечивающая максимальную гибкость в создании, изменении и наладке специализированного программного обеспечения (ПО), реализующего программу исследований трехмерных наноструктур с помощью голографического метода на заданных технических средствах компьютерной системы. Создано компактное, эффективное ПО;

2. разработанные алгоритмы и программы и адаптация существующего ПО позволяют эффективно использовать распространенные компьютерные средства для контроля состояния твердотельных наноструктур;

3. выполнена реализация компьютерной системы обработки визуализированной и графической информации, включающей системные и обрабатывающие программы;

4. разработана экспериментальная установка по получению голографических изображений объекта исследования.

Комплекс средств может быть использован как в научных исследованиях, так и в промышленности: для экспресс-анализа состояния материалов, непрерывного контроля состояния подложки и процесса нанесения активных и пассивных элементов микросхем и т.п.

Результаты работы были апробированы на:

3. Х1Л международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2010);

4. всероссийской конференции «Устойчивость и процессы управления», посвященной 80-летию со дня рождения проф., чл.-корр. РАН В. И. Зубова (1930-2000) (Санкт-Петербург, 2010);

5. международной научной конференции 8Т11АТчПМ-2011 (Санкт-Петербург 2011 г.).

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ [1-6].

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 108 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Список литературы включает 44 наименования.

Заключение

Резюмируя результаты диссертационной работы с учетом ее основных задач, сформулированных во введении, остановимся на наиболее важных, на наш взгляд, аспектах. Прежде всего отметим, что хотя рассматривался круг проблем, возникающих на «стыке» системного анализа, экспериментальной физики, вычислительной математики, кибернетики и обработки информации, автором не ставилось перед собой цель дать исчерпывающий анализ и решить раз и навсегда все стоявшие перед нами проблемы. Ситуация во всех областях науки и техники быстро меняется. Достаточно сказать, что «время жизни» очередной модели компьютера составляет около пяти лет (а то и меньше). При этом на наших глазах происходят не только количественные изменения - возрастает объем памяти, увеличивается быстродействие аппаратуры и т.д., но и качественные -появляются новые принципы организации информационно-измерительных и экспертных систем, их элементов, компьютеров и математического обеспечения. Поэтому в процессе выполнения работы мы пытались уловить тенденции развития и учесть, хотя бы отчасти, возможности завтрашнего дня. Важнейшим аспектом подхода к разрешению поставленной проблемы является применение комплексных, взаимодополняющих методов, а именно: использование на всех этапах проектирования, разработки и реализации элементов ИЭС методов системного анализа, математического и имитационного моделирования, численного и натурного экспериментов.

При создании инструментальных, аппаратных и программных средств, ориентированных на неразрушающее исследование ЗБ-структуры объектов, мы исходили из того, что наиболее полная информация об объекте исследования может быть получена также только при комплексном подходе к анализу структуры объекта по взаимодополняющим методикам, позволяющим получить данные в виде объемных изображений (ЗБ). Обозначим круг исследовательских задач, решаемых предложенной системой, и совокупность применяемых методов:

• электронная голография;

• низкоэнергетическая электронная микроскопия (НПЭМ).

92

Апробация отдельных элементов информационно-экспертной системы и системы в целом, проверка их работоспособности, выполнялась применительно к исследованию голографических изображений полученных на экспериментальной установке и разработке эффективного программного обеспечения по реконструкции изображений объектов. При этом были сформулированы следующие специальные требования:

1. Требуется получить голографическое изображение объекта исследования в экспериментальной установке при низких энергиях электронов 20^-200 В с расстоянием эмиттер - объект с1 -1 • 10~6 -е-1 • 10"9 м и расстоянием эмиттер -КЧД £> = 10 см;

2. Необходима система передачи данных с минимальной зашумленностью для создания условий регистрации голографических изображений объекта.

Все указанные обстоятельства учитывались при разработке информационно-экспертной системы. Полученные результаты, разработанные инструментальные, аппаратные и программные средства прошли апробацию и нашли применение при проектировании и создании структурных элементов и системы в целом.

На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Концепция построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на комплексное исследование тонких пленок металла по их голографическим изображениям;

2. Структура комплекса технических и программных средств для исследования трехмерных наноструктур на базе информационно-экспертной системы;

3. Метод описания голографических изображений объекта, представляющего тонкую пленку металла;

4. Алгоритмы реконструкции голографических изображений;

5. Математическое и программное обеспечение обработки и визуализации голографических изображений.

1. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений // М. Изд-во: Техносфера. 2005 г. С. 420-502.

2. Егоров Н. В., Антонова Л. И. и др. Безлинзовый низкоэнергетический проекционный микроскоп для осевой электронной голографии (кендроскоп) // Поверхность, 2000, №5, С. 157.

3. Егоров Н. В., Карпов А. Г. Диагностические информационно-экспертные системы // СПб. Изд-во: С.-Петерб. ун-та, 2002. 490 с.

4. Егоров Н.В., Карпов А.Г., Антонова Л.И., Федоров А.Г., Трофимов В.В. Методика исследования пространственной структуры тонких пленок на наноуровне // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2011, № 10, С. 83-86.

5. Егоров О.В. Техническая микроскопия // Изд.: Техносфера. 2007 г. с. 376.

6. Жуков В.М. Процессы на поверхности при автоэлектронной эмиссии // СПб: ВВМ, 2007 г. С. 224-242.

7. Миано Дж. Форматы и алгоритмы сжатия изображений в действии // Изд-во: Триумф, 2003 г. 336 с.

8. Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычислений сверток // М.: Радио и связь, 1985 г., 248 с.

9. Сато Ю. Цифровая обработка сигналов. // Юкио Сато: пер. с яп. Селиной Т.Г.М.: Додэка-ХХ1, 2010 г. 176 с.

10. Ю.Синдо Д., Окиява Т., Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия // М. Изд-во: Техносфера, 2006 г. 256 с.11.0ура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. М.: Наука, 2006 г. — 490 с.

11. П1ешин Е.П. Вакуумные технологии: учебное пособие // Долгопрудный. Изд-во: Дом «Интеллект», 2009 г. 504 с.

12. З.Королев Б.И., Кузнецов В.И. и др. Основы вакуумной техники // М.: Изд-во «Энергия», 1975 г. -416 с.

13. Федоров А.Г., Карпов А.Г. Численное восстановление голографических изображений для исследования структуры тонких пленок // Вестн. С.-Петерб. Университета. Сер 10 Вып. 2.

14. Эшбах Г.Л. практические сведения по вакуумной технике // М.-Л.: Изд-во Энергия, пер. Королева Б.И., 1966 г. 296 с.

15. Физический величины справочник // под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991 г. С. 1141-1172.

16. А. Tonomura, Т. Matsuda, Т. Kawasaki, J. Endo and N. Osakabe. Sensitivity-Enhanced Electron-Holographic Interferometry and Thickness-Measurement

17. Applications at Atomic Scale. Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 54. P. 60-62.95

18. Barton J.J. Removing multiple scattering and twin images from holographic images//Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67. P. 3106-3109.

19. Binh V.T., Semet V. Interaction of low energy coherent electron beams with nano-scale objects: a study by Fresnel projection microscopy // Ultramicroscopy. 1998. Vol. 73. P. 107-117.

20. David B. Williams, C. Barry Carter. Transmission electron microscopy: e textbook of material science // Plenum Press NY and London. 1996. p. 717.

21. Edgar V., Lawrence F. A., David C.J. Introduction to electron holography // New York. Kluwer Academic/Plenum Publishers. 1999. p. 354.

22. Fink H.-W., Stocker W., Schmid H. Holography with low-energy electrons // Phys. Rev. Lett. 1990. Vol. 65, № 10. P. 1204-1206.

23. Fink H.-W., Schmid H, Kreuzer H.J., et al. Atomic resolution in lens-less low-energy electron holography // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 67. P. 1543-1546.

24. Gabor D. A new microscopic principle // London. Nature. 1948. Vol. 161. P. 777778.

25. Gabor D. Microscopy by reconstructed wavefronts // London. Proc. R. Soc. 1949. Ser. A. P. 454-487.

26. Golzhauser A., Volkel.B., Kreuzer H.J. et al. optimization of the low energy electron point source microscope: imaging of macromolecules // Micron. 2002. Vol. 33. P. 241-255.

27. Kazuo Yamamoto,Yoshihiro Sugawaral, Martha R. et al. Phase-shifting electron holography for atomic image reconstruction // J Electron Microsc (Tokyo). Vol. 59 2010. P. 81-88.

28. Kreuzer H.J., Nakamura K., Wierzbicki A. et al. Theory of the point source electron microscope // Ultramicroscopy. 1992. Vol. 45. P. 381-403.

29. Mark R.A. Shegelski, Thomas C., Kreuzer H.J., et al. Improvements in the reconstruction of in-line holograms by energy sampling and tomography // Ultramicroscopy. 1998. Vol. 74. P. 169-178.

30. Morin R, Gargani A. Ultra-low-energy electron projection microscopy. Phys. Rev. 1993. B 48. P. 6643-6647.

31. Morin R, Degiovanni A. Interferometry with low-energy electrons // JVST В -Microelectronics and nanometer structures. 1995. P. Vol. 13(2). 407-409.

32. Rao, K.R., Kim, D.N., Hwang, J.-J. Fast Fourier transform algoritms and applications / Signal and communication technology. 2010. p. 340.

33. Ray F. Egerton. Physical principles of electron microscopy. An introduction to ТЕМ, SEM, AEM // Springer science. P. 197.

34. Spence J.C.H., W. Quan, A. Melmed Experimental low-voltage point-projection microscopy and its possibilities // Ultramicroscopy. 1993. Vol.52. P. 473-477.

35. Spence J.C.H., W. Quan, M. Silverman. Electron source brightness and degeneracy from Fresnel fringes in field emission point projection microscopy // J. Vac. Sci. Tech. 1994b. A 12. P. 542-555.

36. The factor N"1 in eqs. (2) and (3) of ref. 26. should be omitted

37. R.G. Newton. Scattering theory of waves and particles // McGraw-Hill, N.-Y. 1996. P. 195-196.

38. Watson G.N. A treatise on the theory of Bessel functions // Cambridge university press. 1958.42.http:/opencv.willowgarage.com43.http://www.sunlightd.com/Fourier/FFT.aspx

39. Жарков C.M. Методы современной просвечивающей электронной микроскопии в исследовании материалов // Journal of Siberian federal university. Chemistry 4. 2009 2. P. 294-306.