Ein neues Open-Source-Softwarepaket, das vom Forscher Julian Ceddia von der Monash University entwickelt wurde, soll die Materialuntersuchung mit Rastertunnelmikroskopen (STMs) erheblich vereinfachen.
Die Software mit dem Namen Scanbot automatisiert die zeitaufwändigen Prozesse der Sondenoptimierung und Datenerfassung, die für STM-Experimente unerlässlich sind. Sie trägt zur Beschleunigung der 2D-Materialforschung bei, indem sie detaillierte Untersuchungen ermöglicht, nachdem die STM-Spitze automatisch optimiert und geschärft wurde.
„Wir hoffen, dass Scanbot STM-Laboren auf der ganzen Welt zugutekommt und einen bedeutenden Schritt in Richtung vollständiger Automatisierung von STM-Experimenten darstellt“, sagt A/Prof. Agustin Schiffrin, ebenfalls von Monash.
Transformation der Materialforschung durch STM-Automatisierung
Die Erforschung und Charakterisierung der atomaren Landschaft von Oberflächen ist zu einem grundlegenden Anliegen der modernen Wissenschaft geworden. STMs gehören zu den leistungsfähigsten Werkzeugen, mit denen Wissenschaftler die Welt in diesem unvorstellbaren Maßstab untersuchen und mit ihr interagieren können. Sie liefern Bilder und spektroskopische Daten, die es uns ermöglichen, in den Quantenbereich zu blicken und zu sehen, wie sich Materialien auf atomarer Ebene verhalten.
STMs funktionieren, indem sie eine auf ein einzelnes Atom geschärfte Sonde über die Oberfläche eines Materials scannen und dabei einen elektrischen Strom überwachen. Dieser Strom enthält alle Informationen, die zum Aufbau atomarer Bilder der Oberfläche erforderlich sind.
Allerdings ist es keine leichte Aufgabe, diese atemberaubenden Bilder zu erstellen. Eine Sonde, die auf die Größe eines einzelnen Atoms geschärft ist, ist äußerst zerbrechlich, und selbst der geringste Kontakt mit einem anderen Atom, Molekül oder Trümmerteilchen kann die Wirksamkeit der Sonde drastisch beeinträchtigen. Daher müssen die Forscher viel Zeit damit verbringen, das Instrument zu optimieren, um sicherzustellen, dass es qualitativ hochwertige und zuverlässige Daten erfasst.
Einführung von Scanbot
Forscher der Monash University unter der Leitung von Julian Ceddia haben eine zuverlässige Methode zur Automatisierung dieses STM-Optimierungsprozesses entwickelt. Das Ergebnis ist Scanbot – eine frei verfügbare Open-Source-Software. Softwarepaket.
Das Forschungspapier ist veröffentlicht im Journal für Open Source-Software.
Ceddia erklärt, dass ihm eine Offenbarung kam, nachdem er es satt hatte, Stunden damit zu verschwenden, die STM-Spitze zu optimieren und zu schärfen, nur um aussagekräftige Daten zu erhalten. „Nachdem ich während meiner Promotion unzählige Stunden damit verbracht hatte, das STM zu optimieren, entdeckte ich, dass die Qualität der Sonde leicht quantifiziert werden konnte, indem man die Abdrücke abbildete, die sie hinterlässt, wenn sie nur wenige Angström tief in die Oberfläche gestochen wird.“
Diese Abdrücke enthalten Informationen über die Anordnung der Atome an der Spitze der Rastersonde und sind entscheidend, um die Qualität der Daten schon vor deren Erfassung vorhersagen zu können. „Grundsätzlich hinterlassen schärfere Spitzen kleinere Abdrücke. Scanbot automatisiert diesen Prozess, indem die Spitze wiederholt in die Oberfläche gedrückt wird, bis der Abdruck zeigt, dass die Spitze scharf genug für eine qualitativ hochwertige Bildgebung ist“, erklärt Ceddia.
Dieser unkomplizierte Ansatz zur „Spitzenformung“ vermeidet viele der Herausforderungen, die mit der Verwendung von maschinellem Lernen für ähnliche Aufgaben verbunden sind. „Anstatt eine KI anhand riesiger Mengen gekennzeichneter Daten zu trainieren, um qualitativ hochwertige Bilder zu erkennen, verwendet Scanbot einfache Algorithmen, um die Größe und Symmetrie der Sondenspitze anhand der Abdrücke zu messen, die sie hinterlässt“, fügt Dr. Benjamin Lowe hinzu, ein wichtiger Mitarbeiter des Projekts.
Die Fähigkeiten von Scanbot gehen jedoch über die bloße Formgebung der Spitzen hinaus. Es automatisiert auch gängige Datenerfassungstechniken wie die Probenvermessung und macht STMs insgesamt einfacher zu bedienen. „Mein Ziel mit Scanbot war es, STM zugänglicher und benutzerfreundlicher zu machen“, sagt Ceddia. „Deshalb habe ich viel Zeit in die Gestaltung einer intuitiven Benutzeroberfläche und das Schreiben einer umfassenden Dokumentation investiert.“
Anerkennung und Einfluss in der Branche
Das Potenzial von Scanbot wurde vom ehemaligen Forscher der Monash University, Jack Hellerstedt, der auch bedeutende Beiträge zum Projekt leistete, treffend beschrieben: „Scanbot hat das ketzerische Potenzial, aufstrebende Oberflächenforscher dazu zu bringen, über die Daten nachzudenken, anstatt auf die Schaltfläche zu klicken.“
Die Fähigkeiten von Scanbot sind in der Branche bereits aufgefallen. SPECS, ein führendes Unternehmen im Bereich der STM-Systemsteuerung, hat sich kürzlich an Ceddia gewandt, nachdem es Scanbot entdeckt hatte.
„Eine E-Mail von SPECS mit der Bitte, Links zu Scanbot in ihre Dokumentation aufzunehmen, war unglaublich ermutigend“, erinnert sich Ceddia. „Das ist eine starke Bestätigung dafür, dass unsere Arbeit tatsächlich einen Unterschied bei der Bedienung von STMs bewirken kann.“
Weitere Informationen:
Julian Ceddia et al, Scanbot: Ein STM-Automatisierungsbot, Journal für Open Source-Software (2024). DOI: 10.21105/joss.06028