Программное обеспечение с открытым исходным кодом помогает оптимизировать исследование двумерных материалов с помощью автоматизации сканирующего туннельного микроскопа

Новый пакет программного обеспечения с открытым исходным кодом, разработанный исследователем из Университета Монаша Джулианом Седдиа, призван значительно упростить изучение материалов с помощью сканирующих туннельных микроскопов (СТМ).

Программное обеспечение под названием Scanbot автоматизирует трудоемкие процессы оптимизации зонда и сбора данных, необходимые для экспериментов с СТМ, помогая ускорить исследование двумерных материалов, позволяя проводить детальные исследования после автоматической оптимизации и заточки зонда СТМ.

«Мы надеемся, что Scanbot принесет пользу лабораториям СТМ по всему миру и станет значимым шагом на пути к полной автоматизации экспериментов СТМ», — говорит доцент Агустин Шиффрин, также работающий в Монаше.

Трансформация исследований материалов с помощью автоматизации STM

Исследование и характеристика атомного ландшафта поверхностей стали фундаментальным занятием в современной науке. СТМ являются одними из самых мощных инструментов, которые позволяют ученым исследовать и взаимодействовать с миром в этом невообразимом масштабе, предоставляя изображения и спектроскопические данные, которые позволяют нам заглянуть в квантовую сферу и увидеть, как материалы ведут себя на атомном уровне.

СТМ работают, сканируя зонд, заточенный до одного атома, по поверхности материала, одновременно отслеживая электрический ток. Этот ток несет всю информацию, необходимую для построения изображений поверхности в атомном масштабе.

Однако получение этих захватывающих дух изображений — нелегкая задача. Зонд, заточенный до размера одного атома, чрезвычайно хрупок, и даже малейший контакт с другим атомом, молекулой или обломком может кардинально изменить эффективность зонда, требуя от исследователей потратить значительное время на оптимизацию инструмента, чтобы гарантировать получение высококачественных и надежных данных.

Представляем Scanbot

Исследователи из Университета Монаша под руководством Джулиана Седдиа разработали надежный способ автоматизации этого процесса оптимизации STM, что привело к созданию Scanbot — свободно распространяемого программного пакета с открытым исходным кодом.

Научная работа опубликована в журнале Журнал программного обеспечения с открытым исходным кодом.

Седдия объясняет, что к нему пришло откровение после того, как он устал от часов, которые он постоянно тратил на оптимизацию и заточку наконечника СТМ только для того, чтобы получить значимые данные. «После бесчисленных часов, потраченных на тонкую настройку СТМ во время моей докторской диссертации, я обнаружил, что качество зонда можно легко количественно оценить, визуализируя отпечатки, которые он оставляет после того, как его втыкают в поверхность всего на несколько ангстрем».

Эти отпечатки несут информацию о расположении атомов на кончике сканирующего зонда и являются ключом к прогнозированию того, насколько качественными будут данные, до их получения. «По сути, более острые наконечники оставляют меньшие отпечатки. Поэтому Scanbot автоматизирует процесс, многократно вдавливая наконечник в поверхность до тех пор, пока отпечаток не покажет, что наконечник достаточно острый для высококачественной визуализации», — объясняет Седдия.

Этот простой подход к «формированию наконечника» позволяет избежать многих проблем, связанных с использованием машинного обучения для решения аналогичных задач. «Вместо того, чтобы обучать ИИ на огромных объемах маркированных данных для распознавания высококачественных изображений, Scanbot использует простые алгоритмы для измерения размера и симметрии кончика зонда на основе отпечатков, которые он оставляет», — добавляет доктор Бенджамин Лоу, ключевой участник проекта.

Но возможности Scanbot выходят за рамки простого формирования наконечника. Он также автоматизирует общие методы сбора данных, такие как выборочное обследование, что упрощает эксплуатацию STM в целом. «Моей целью при работе со Scanbot было сделать STM более доступным и удобным для пользователя», — говорит Седдия. «Вот почему я потратил много времени на разработку интуитивно понятного пользовательского интерфейса и написание подробной документации».

Признание и влияние в отрасли

Потенциал Scanbot был точно описан бывшим исследователем Университета Монаша Джеком Хеллерстедтом, который также внес значительный вклад в проект: «Scanbot обладает еретическим потенциалом, позволяющим ученым, работающим на поверхности, думать о данных вместо того, чтобы нажимать кнопку».

Отрасль уже обратила внимание на возможности Scanbot. SPECS, ведущая компания в области управления системами STM, недавно связалась с Ceddia после того, как обнаружила Scanbot.

«Получение письма от SPECS с просьбой включить ссылки на Scanbot в их документацию было невероятно воодушевляющим», — размышляет Седдия. «Это весомое подтверждение того, что наша работа действительно может изменить способ эксплуатации STM».