Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов



Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов
Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов
Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов
Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов
Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов
Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов

 


Владельцы патента RU 2606089:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к областям микро- и наноэлектроники, физики поверхности и может быть использовано для исследования информационных характеристик поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов. Сущность способа заключается в том, что получают изображения исследуемой поверхности с высоким разрешением средствами атомно-силовой микроскопии, вычисляют с помощью метода средней взаимной информации характеристики поверхности, классифицируют исследуемую поверхность по величине энтропии и степени упорядоченности. 1 ил.

 

Изобретение относится к областям микро- и наноэлектроники, физики поверхности и может быть использовано для исследования информационных характеристик поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов (полупроводниковых, органических и др.).

Известны основные параметры для анализа шероховатости и рельефа поверхности по данным атомно-силовой микроскопии (ACM) [1, 2]. В них входят метрические (амплитудные, функциональные и пространственные) и фрактальные параметры, используемые передовыми фирмами для сертификации поверхности. Следует отметить, что метрические параметры базируются в основном на среднестатистических функциях расчета характеристик шероховатости и рельефа поверхности. Зачастую они позволяют информативно исследовать упорядоченные структуры, но при изучении процессов самоорганизации в неупорядоченных средах являются малоинформативными. Фрактальные параметры, в частности фрактальная размерность, позволяют более полно изучить поверхность с точки зрения ростовых механизмов материала и процессов самоорганизации, поскольку оперируют с различными пространственными масштабами исследуемой поверхности. Данная группа параметров основана на свойствах самоаффинности и самоподобии фракталов. Но не все поверхности обладают такими свойствами: зачастую исследуются сложные гетерогенные системы, например обладающие совокупностью кристаллической и неупорядоченной фаз. Предлагаемый способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся материалов наиболее близок к группе фрактальных параметров.

В основе предлагаемого способа лежит теория информации. Метод средней взаимной информации (СВИ) [3] позволяет исследовать процессы самоорганизации структурообразования материалов по оценке степени упорядоченности структуры поверхности [4].

Самоорганизующиеся материалы обладают определенными структурными элементами, а значит и определенным рельефом поверхности. По сути, рельеф поверхности можно рассматривать в качестве среды, способной к хранению информации. Примеров информационных сред, где требуются исследования характеристик поверхности, достаточно много. Структуры с квантовыми точками (КТ) - перспективные материалы в области опто-, микро- и наноэлектроники. Предлагалось использовать их как основу при создании логических элементов, квантовых компьютеров. Но реализовать это практически в масштабах крупного производства пока не удалось. Причины этого могут быть связаны с наличием неполных знаний о физике процессов взаимодействия квантово-размерных объектов, технологическими проблемами получения строго упорядоченных массивов КТ и др. Другой представляющий интерес для исследования объект - наноструктурированные материалы, например полупроводниковые нанокристаллы в матрице неупорядоченного материала. Наличие фаз различной проводимости может использоваться для использования таких структур также в качестве информационных сред.

При реализации способа исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся материалов необходимо наличие максимально точных данных о рельефе исследуемой поверхности. Изображение поверхности в высоком качестве может быть получено с помощью атомно-силового микроскопа.

По данным о рельефе поверхности для каждой пары точек высот производится расчет взаимной информации. Взаимная информация определяется как количество информации, которое становится известным относительно случайной функции в точке A, когда становится известным ее значение в точке B. Если D - область определения, Z - область случайной функции, PA(z1) - плотность распределения вероятностей в точке A (как функция на z1), PB(z2) - плотность распределения вероятностей в точке B (как функция на z2), PAB(z1, z2) - совместная плотность распределения в точках A и B, то взаимная информация IAB(z1,z2) для пары известного и предсказываемого значения рассчитывается по следующей формуле:

СВИ определяется как среднее ожидаемое значение взаимной информации для заданной пары точек путем интегрирования по Z2:

В результате таких расчетов получают распределение взаимной информации в соответствии с размером исходного изображения поверхности. По полученному распределению находят величины минимальной, средней и максимальной взаимной информации. СВИ характеризует упорядоченность поверхности: чем больше значение СВИ, тем более упорядоченная структура. Максимальная взаимная информация (МВИ) характеризует энтропию поверхности. Среднюю энтропию рассчитывают по формуле:

где p(x) - вероятность наличия одной из высот в точке x, N - количество точек высот исследуемой поверхности.

Поскольку рельеф поверхности в заявляемом способе рассматривается в качестве среды, имеющей функциональные возможности хранения информации, то поверхности с более развитым рельефом (т.е. с большей величиной энтропии) способны к хранению большего объема информации. В этой связи энтропию исследуемой поверхности можно считать информационной емкостью поверхности. Таким образом, чем выше МВИ, тем выше информационная емкость.

Диапазон допустимых значений взаимной информации от 0 до 1, размерность информации - биты. Иными словами, значения взаимной информации меняются от нуля до максимальной средней энтропии полного хаоса.

Если высота точек профиля поверхности, полученных атомно-силовым микроскопом, находится в диапазоне [К; L], то можно разбить его, например, на 28=256 интервалов, а высоту в каждой точке округлить до середины интервала. После такой процедуры квантования энтропия и информация становится конечными измеримыми величинами. Максимальная энтропия системы из одной точки равна логарифму от числа состояний, в данном случае 8 бит, этому же равна взаимная информация в случае, когда до измерения величина была полностью не определена, а после - определена однозначно. Выбранная дискретность квантования является компромиссом между огрублением результата, вызванным малым числом уровней, и сложностью вычислений. Для устранения произвольности этого выбора все величины, имеющие размерность информации, нормируются по максимальной энтропии системы и для одной точки в данном случае делятся на 8. После нормализации значение энтропии системы обретает физический смысл и изменяется от нуля (состояние известно) до единицы (состояние полного хаоса с равновероятными состояниями). Взаимная информация также изменяется от нуля (известность одной величины ничего не сообщает о значении другой) до единицы (значение было полностью неопределенным, а теперь точно известно).

Иная ситуация для искусственных модельных поверхностей. Рассмотрим двумерную поверхность из N×N прямоугольных столбиков. Заметим, что высоты принимают всего 2 возможных значения из 256, вероятности которых относятся как 1:3. Тогда средняя энтропия такой системы Em для скважности 2 согласно формуле (3) определяется:

.

Полученное значение энтропии существенно меньше энтропии полного хаоса, которая равна 8. Поэтому максимальная взаимная информация в такой системе при данной нормировке хаосом не может превышать 0.1. При скважности, равной 4, взаимная информация еще ниже, не более 0.04.

Физический смысл этого эффекта в том, что величина максимальной взаимной информации - это не степень упорядоченности системы, а оценка той ее части, которая обусловлена корреляцией значений высот профиля в разных точках. Поэтому если система и так существенно определена, то информация, полученная от известных значений в других точках, не велика.

Применение заявляемого способа при исследовании материалов и структур микро- и наноэлектроники позволит более детально изучать процессы самоорганизации структурообразования, что необходимо для решения обратной задачи - создания наноструктур и наноматериалов с заданными свойствами.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ позволяет производить оценку поверхности наноструктурированных материалов с помощью нового, не имеющегося в прототипе, параметра - информационной емкости. Следовательно, изобретение обладает существенными отличиями.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна», так как в известных источниках не обнаружен предложенный способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов.

Основные этапы реализации способа исследования информационной емкости поверхности самоорганизующихся структур поясняются фиг. 1.

На первом этапе (фиг. 1, а) получают изображения исследуемой поверхности (обладающей функциональными возможностями хранения информации) с высоким разрешением средствами атомно-силовой микроскопии. Далее (фиг. 1, б) с помощью метода средней взаимной информации получают распределение взаимной информации в соответствии с размерами исследуемого участка, по которому определяют характеристики поверхности (среднюю и максимальную взаимную информацию). На последнем этапе (фиг. 1, в) классифицируют исследуемую поверхность по величине энтропии (характеризующую ее информационную емкость) и степени упорядоченности.

Литература

[1] Арутюнов П.А., Толстихина А.Л., Демидов В.Н. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 1998. Т. 65, №9. С. 27-37.

[2] Мошников В.А., Спивак Ю.М., Алексеев П.А., Пермяков Н.В. Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 144 с.

[3] Henry D.I. Abarbanel, Reggie Brown, John J. Sidorowich, and Lev Sh. Tsimring The analysis of observed chaotic data in physical systems // Rev. Mod. Phys. 65, 1331 (1993).

[4] Вихров С.П., Авачева Т.Г., Бодягин Н.В., Гришанкина Н.В., Авачев А.П. Установление степени упорядочения структуры материалов на основе расчета информационно-корреляционных характеристик // Физика и техника полупроводников, т. 46, вып. 4, 2012 г. С. 433-438.

Способ исследования информационной емкости поверхности наноструктурированных материалов, заключающийся в том, что получают изображения исследуемой поверхности (обладающей функциональными возможностями хранения информации) с высоким разрешением средствами атомно-силовой микроскопии, вычисляют с помощью метода средней взаимной информации характеристики поверхности, классифицируют исследуемую поверхность по величине энтропии (характеризующую ее информационную емкость) и степени упорядоченности, отличающийся тем, что в качестве характеристик поверхности используются: степень упорядоченности, определяемая по значению средней взаимной информации,

где Z - область случайной функции, PA(z1) - плотность распределения вероятностей в точке А (как функция на z1), PB(z2) - плотность распределения вероятностей в точке В (как функция на z2), PAB(z1, z2) - совместная плотность распределения в точках А и В;

информационная емкость, определяемая по среднему значению энтропии,

где р(х) - вероятность наличия одной из высот в точке х, N - количество точек высот исследуемой поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к способу и системе нанопозиционирования объекта. Система содержит неподвижное основание, опору для объекта, привод для приложения силы с целью перемещения опоры относительно неподвижного основания, датчик для измерения силы нагрузки на опору и контроллер для обработки измеренной силы нагрузки с целью управления положением опоры и/или для подавления по меньшей мере одной резонансной частоты системы.

Способ измерения поверхности объекта в режиме сканирующего зондового микроскопа относится к измерительной технике и может быть использован для исследования структур образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может использоваться в условиях ограниченного доступа к зондам, например, в вакууме или агрессивной среде.

Устройство манипулирования относится к области точной механики и может быть использовано для точного перемещения объектов, например, в зондовой микроскопии. Заявленное устройство манипулирования включает основание (1) с блоком направляющих, на котором установлена подвижная каретка (2), включающая блок опор, сопряженная с блоком направляющих посредством блока опор, и привод (13), сопряженный с рычагом (18), имеющий возможность разъемного соединения с подвижной кареткой (2) Согласноизобретению подвижная каретка (2) установлена на блоке направляющих при помощи блока опор с возможностью однозначной установки в рабочее положение, при этом подвижная каретка (2) в рабочем положении имеет минимум потенциальной энергии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений по трем взаимоортогональным осям. Интерферометр содержит одночастотный лазер, коллиматор для ввода излучения в транспортное волокно, коллиматор, вводящий излучение в оптическую схему, акустооптический модулятор, формирующий опорное и измерительное плечи интерферометра, поляризационный светоделитель, позволяющий развести лучи на расстояние, достаточное для их независимого использования зеркалами, систему зеркал, которая расположена вокруг пьезоэлектрического стола, триппель-призмы, закрепленные на пьезоэлектрическом столе так, что их оси симметрии проходят через центр вращения пьезоэлектрического стола, фотоприемники, подключенные к соответствующим измерительным входам фазометра, а также генератор сдвиговой частоты, связанный с акустооптическим модулятором и опорным входом фазометра.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в зондовой сканирующей микроскопии и атомно-силовой микроскопии для диагностирования и исследования наноразмерных структур.

Изобретение относится к сканирующим зондовым микроскопам, адаптированным для измерения поверхности образца, полученной после механической модификации этой поверхности.

Изобретение относится к креплению для сенсорного блока сканирующего зонда. Крепление для сенсорного блока (27, 127) включает опору (1, 101, 201, 301), образующую в креплении плоскость, подвижные фиксирующие соединительные элементы (9, 109, 208), расположенные по краю опоры (1, 101, 201, 301) и выполненные с возможностью взаимодействия с соответствующей ответной частью (43, 143) сенсорного блока и возможностью перемещения в первое положение, в котором они прикладывают усилие к установленному сенсорному блоку (27, 127) таким образом, чтобы действовать на него в направлении опоры (1, 101, 201, 301) по нормали к указанной плоскости, и во второе положение, в котором они позволяют производить установку сенсорного блока (27, 127) на опору (1, 101, 201, 301) или снятие этого блока с опоры в направлении вдоль нормали к плоскости.

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии. Сканер содержит корпус сканера, включающего привод и датчик для обнаружения движения сканера.

Изобретение может быть использовано для изучения поверхностных явлений. Электрод из исследуемого металла приводят в контакт с ионной жидкостью.

Изобретение относится к горной промышленности и, в частности, к способам оценки смачивающей способности растворов поверхностно-активных веществ (ПАВ) в отношении твердых тел, а именно минералов, природных углей и других горных пород.

Изобретение относится к области: получение супрамолекулярных систем. Капиллярно-сталагмометрический способ получения супрамолекулярных систем, при котором беспорядочно расположенные линейные молекулы природного полимера в растворе или синтезированного полимера в расплаве капиллярный канал перестраивает и укладывает в одном направлении.

Изобретение относится к способу вычисления или оценки параметров отдельных фаз многофазного/многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду с применением трехмерного цифрового представления пористой среды и метода расчетной гидродинамики для вычисления скоростей потока, давлений, насыщений, векторов внутренней скорости и других параметров потока.

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей, применительно к различным отраслям промышленности, а также для обоснования рабочей концентрации смачивателей, используемых для тушения пожаров.

Изобретение относится к области физики твердого тела и предназначено для исследования электронной структуры поверхности металлов. Образец твердого металла приводят в контакт с ионной жидкостью, подводят к ионной жидкости дополнительный электрод, задают с его помощью потенциал образца относительно электрода сравнения, через границу образца с ионной жидкостью пропускают переменный ток фиксированной амплитуды с заданной частотой, регистрируют называемую эстансом производную поверхностного натяжения твердого металла по поверхностной плотности заряда твердого металла, изменяют поверхностную плотность заряда твердого металла путем изменения потенциала образца со временем и получают таким путем осциллограммы эстанса с непрерывной разверткой потенциала в анодном направлении, а также с зигзагообразной разверткой также в анодном направлении, в интервале потенциала, пройденном зигзагообразной разверткой, находят область обратимости эстанса и в этой области на осциллограмме с непрерывной разверткой находят одну или несколько волн эстанса, найденные волны эстанса рассматривают как результат исключения электронных зон поверхности металла по мере уменьшения отрицательного заряда поверхности металла, при этом количество найденных волн эстанса считают равным количеству исключенных электронных зон поверхности металла.

Изобретение относится к области исследования горных пород. Техническим результатом является получение дополнительной информации о свойствах нефтеводонасыщенных пород-коллекторов нефти с помощью стандартного петрофизического оборудования.

Изобретение относится к области молекулярной физики и может быть использовано для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов. Способ заключается в том, что диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки частично заполняют жидкостью, один конец которой плотно закрыт, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава).

Изобретения могут быть использованы в коксохимической промышленности. Способ производства кокса включает формирование смеси углей путем смешения двух или более типов угля и карбонизацию указанной смеси углей.
Изобретение относится к способам изучения поверхностных явлений. Из меди и серебра изготавливают электроды, приводят их в контакт с раствором электролита, осуществляют предварительный электролиз с чередованием анодного окисления и катодного восстановления поверхности металла, регистрируют зависимость производной поверхностного натяжения по поверхностной плотности заряда от потенциала электрода, сопоставляют указанные зависимости, полученные на меди и серебре, отмечают в качестве их общих признаков участок ступенчатого спада в анодном направлении, убывание протяженности ступеней вдоль оси потенциала.

Изобретение относится к технологии новых оптических стеклообразных кварцоидных материалов, обладающих люминесценцией в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в производстве волоконных световодов с лазерной генерацией в инфракрасном спектральном диапазоне и различных устройств на их основе для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи.
Наверх