Введение к работе
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 (3D) 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;
прецизионную систему управления катодным блоком с энергией, гарантирующей неразрушение диагностируемого объекта диагностирующим пучком;
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-Ю"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:
анализ возможностей теоретического и экспериментального исследования трехмерной структуры нанопленок;
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;
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 3D 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:
предложена концепция построения и создания информационно-экспертной системы (ИЭС), проблемно-ориентированной на исследование 3D-структуры тонких пленок металла по их голографическим изображениям;
разработана методика описания голографических изображений тонких металлических пленок;
создано математическое и программное обеспечение, сочетающее в себе сбор, хранение, обработку и анализ экспериментальной информации, протестированное в ИЭС;
практически реализована проблемно-ориентированная ИЭС и проведено ее тестирование.
Положения выносимые на защиту:
концепция построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на комплексное исследование тонких пленок металла по их голографическим изображениям;
структура комплекса технических и программных средств для исследования трехмерных наноструктур на базе информационно-экспертной системы;
метод описания голографических изображений объекта, представляющего тонкую пленку металла;
алгоритмы реконструкции голографических изображений;
математическое и программное обеспечение обработки и визуализации
голографической информации.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
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;
разработанные алгоритмы и программы и адаптация существующего ПО позволяют эффективно использовать распространенные компьютерные средства для контроля состояния твердотельных наноструктур;
выполнена реализация компьютерной системы обработки визуализированной и графической информации, включающей системные и обрабатывающие программы;
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:
XLI международной научной конференции аспирантов и студентов «Процессы управления и устойчивость» (Санкт-Петербург, 2010);
всероссийской конференции «Устойчивость и процессы управления», посвященной 80-летию со дня рождения проф., чл.-корр. РАН В. И. Зубова (1930-2000) (Санкт-Петербург, 2010);
международной научной конференции STRANN-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.
