Методы программно-аппаратной коррекции экспериментальных данных в атомно-силовой микроскопии

Разработка новых материалов с применением нанотехнологий неразрывно связана с развитием приборно-технологической базы в этой области, что предъявляет основное требование к используемому экспериментальному оборудованию: оно должно позволять получать достоверные количественные характеристики наноструктур и нанообъектов. Атомно-силовая микроскопия (АСМ), являющаяся доминирующим направлением в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) позволяет исследовать поверхности материалов с высоким пространственным разрешением, являясь, таким образом, одним из основных инструментов в современной нанотехнологии. Данный вид микроскопии позволяет получать качественную и количественную информацию о свойствах как наноструктур, так и отдельных нанообъектов. В то же время, постоянно растущий объем исследований в области нанотехнологий требует развития методов количественного анализа экспериментальных данных, а также автоматизации их обработки. Формализация процедур обработки данных СЗМ позволяет радикально повысить эффективность исследований, однако отсутствие экспертного контроля на каждом из этапов может привести к понижению достоверности результатов анализа. Связано это в большой степени с наличием различного рода искажений в экспериментальных данных. Разработка новых методов анализа и обработки АСМ данных, позволяет повысить достоверность и полноту результатов качественного и количественного анализа. Целью диссертационной работы является разработка новых методов для усовершенствования программно-аппаратного обеспечения исследований структурных особенностей объектов на наноразмерном уровне методом АСМ. Для достижения цели решались следующие задачи: 1. разработка метода устранения аппаратных искажений при получении изображения поверхности; 2. разработка формализованных методов предварительной обработки АСМ данных для повышения качества их последующей экспертизы; 3. применение методов фрактальной геометрии к анализу морфологических свойств и управлению качеством АСМ данных; 4. разработка и применение усовершенствованных методик программно- аппаратного обеспечения для исследования характеристик наноструктурных материалов (порошки, компакты, керамики, биологические ткани).
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:
1. Предложен оригинальный метод измерения рельефа поверхности на основе самосогласованной калибровки ошибки обратной связи;
2. Разработан и экспериментально опробован самосогласованный фильтр высоких частот (СРФ) для увеличения контрастности границ исследуемых объектов;
3. Разработан формализованный метод устранения межстрочных скачков, минимизирующий погрешности последующего анализа широкого класса АСМ изображений;
4. Предложен подход к анализу морфологических свойств и управлению качеством СЗМ данных с использованием методов фрактальной геометрии;
5. На основе разработанного метода впервые предложен способ определения степени зрелости коллагеновых волокон методом АСМ.
Ключевые слова: Сканирующий зондовый микроскоп, атомно-силовой микроскоп, зонд, кантилевер, Scanning Probe Microscope, Atomic Force Microscope, AFM probe, AFM tips