Opensourcesoftware helpt 2D-materiaalonderzoek te stroomlijnen met automatisering van scanning tunneling microscopen

Een nieuw open-source softwarepakket, ontwikkeld door onderzoeker Julian Ceddia van Monash University, heeft als doel het onderzoek naar materialen met behulp van scanning tunneling microscopen (STM’s) aanzienlijk te stroomlijnen.

De software, genaamd Scanbot, automatiseert de tijdrovende processen voor sonde-optimalisatie en data-acquisitie die essentieel zijn voor STM-experimenten. Hierdoor wordt 2D-materiaalonderzoek versneld doordat gedetailleerd onderzoek mogelijk is nadat de STM-punt automatisch is geoptimaliseerd en geslepen.

“We hopen dat Scanbot STM-laboratoria over de hele wereld ten goede komt en een zinvolle stap vormt in de richting van volledige automatisering van STM-experimenten”, aldus A/Prof Agustin Schiffrin, ook bij Monash.

Transformatie van materiaalonderzoek met STM-automatisering

Het verkennen en karakteriseren van het atomaire landschap van oppervlakken is een fundamenteel streven geworden in de moderne wetenschap. STM’s behoren tot de krachtigste hulpmiddelen waarmee wetenschappers de wereld op deze onvoorstelbare schaal kunnen onderzoeken en ermee kunnen interacteren, en die beelden en spectroscopische gegevens leveren waarmee we in het kwantumrijk kunnen kijken en kunnen zien hoe materialen zich op atomair niveau gedragen.

STM’s werken door een probe, scherpgesteld op een enkel atoom, over het oppervlak van een materiaal te scannen terwijl ze een elektrische stroom monitoren. Deze stroom draagt ​​alle informatie die nodig is om atomaire-schaalbeelden van het oppervlak te maken.

Het is echter geen gemakkelijke opgave om deze adembenemende beelden te verkrijgen. Een sonde die is aangescherpt tot de grootte van een enkel atoom is extreem kwetsbaar en zelfs het kleinste contact met een ander atoom, molecuul of puin kan de effectiviteit van de sonde drastisch veranderen, waardoor onderzoekers veel tijd moeten besteden aan het optimaliseren van het instrument om ervoor te zorgen dat het hoogwaardige, betrouwbare gegevens vastlegt.

Introductie van Scanbot

Onderzoekers aan de Monash University, onder leiding van Julian Ceddia, hebben een betrouwbare manier ontwikkeld om dit STM-optimalisatieproces te automatiseren, wat heeft geresulteerd in de creatie van Scanbot, een gratis beschikbare open-source softwarepakket.

Het onderzoeksartikel is gepubliceerd in de Tijdschrift voor open source software.

Ceddia legt uit dat hij een openbaring kreeg nadat hij moe was geworden van de uren die hij routinematig verspilde aan het optimaliseren en scherper maken van de STM-punt, alleen om zinvolle gegevens te krijgen. “Na talloze uren besteed te hebben aan het finetunen van de STM tijdens mijn Ph.D., ontdekte ik dat de kwaliteit van de sonde eenvoudig gekwantificeerd kon worden door middel van het maken van afdrukken die het achterlaat nadat het slechts een paar angstrom in het oppervlak is gestoken.”

Deze afdrukken bevatten informatie over de rangschikking van atomen aan de punt van de scanning probe en zijn essentieel om te voorspellen hoe goed de data zal zijn voordat deze wordt verkregen. “In principe laten scherpere punten kleinere afdrukken achter. Scanbot automatiseert het proces door de punt herhaaldelijk in het oppervlak te drukken totdat de afdruk laat zien dat de punt scherp genoeg is voor hoogwaardige beeldvorming,” legt Ceddia uit.

Deze eenvoudige aanpak van “tip shaping” vermijdt veel van de uitdagingen die gepaard gaan met het gebruik van machine learning voor vergelijkbare taken. “In plaats van een AI te trainen op enorme hoeveelheden gelabelde data om afbeeldingen van hoge kwaliteit te herkennen, gebruikt Scanbot eenvoudige algoritmen om de grootte en symmetrie van de probe-apex te meten op basis van de afdrukken die het achterlaat,” voegt Dr. Benjamin Lowe toe, een belangrijke medewerker van het project.

Maar de mogelijkheden van Scanbot gaan verder dan alleen tip shaping. Het automatiseert ook veelgebruikte data-acquisitietechnieken, zoals sample surveying, waardoor STM’s over het algemeen gemakkelijker te bedienen zijn. “Mijn doel met Scanbot was om STM toegankelijker en gebruiksvriendelijker te maken,” zegt Ceddia. “Daarom heb ik veel tijd geïnvesteerd in het ontwerpen van een intuïtieve gebruikersinterface en het schrijven van uitgebreide documentatie.”

Erkenning en impact door de industrie

Het potentieel van Scanbot werd treffend verwoord door voormalig onderzoeker aan de Monash University Jack Hellerstedt, die ook een belangrijke bijdrage leverde aan het project: “Scanbot heeft het ketterse potentieel om veelbelovende oppervlaktewetenschappers aan het denken te zetten over de gegevens in plaats van op de knop te klikken.”

De industrie is al op de hoogte van de mogelijkheden van Scanbot. SPECS, een toonaangevend bedrijf in STM-systeembesturing, nam onlangs contact op met Ceddia nadat ze Scanbot hadden ontdekt.

“Het ontvangen van een e-mail van SPECS met het verzoek om links naar Scanbot in hun documentatie op te nemen, was ongelooflijk bemoedigend,” reflecteert Ceddia. “Het is een sterke bevestiging dat ons werk echt een verschil kan maken in de manier waarop STM’s worden bediend.”