Информационно-экспертная система для исследования пространственной структуры тонких металлических пленок на наноуровне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Федоров, Артур Григорьевич

• Федоров, Артур Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федоров, Артур Григорьевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-экспертная система для исследования пространственной структуры тонких металлических пленок на наноуровне»

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 диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Федоров, Артур Григорьевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федоров, Артур Григорьевич, 2011 год

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.