Lakus molekulinis šydas: nenumatytos liekamųjų dujų adsorbcijos pasekmės volframo-renio zonduose
Vakuuminės kameros viduje, kur slėgis pasiekia 10^-9 mbar ribą, atsiranda netikėtas reiškinys: dėl liekamosios dujų adsorbcijos ant volframo ir renio lydinio zondo smaigalio susidaro nepageidaujamas molekulinis „apvalkalas“. Šis sluoksnis, nors ir yra vos kelių atomų storio, drastiškai keičia zondo darbo funkciją, paversdamas precizinį instrumentą neprognozuojamu signalo generatoriumi. Smaigalio geometrija, kurią sudaro 90 procentų volframo ir 10 procentų renio, dėl šios taršos praranda 10–20 nanometrų spindulio tikslumą, o tai sukelia vaizdo „dvigubinimąsi“, kai skenuojamas paviršius atrodo lyg būtų padengtas vaiduokliškomis kopijomis.
Volframo lydinio vielos ėsdinimo procesas, reikalaujantis 1–10 voltų įtampos ir 1–10 mikroamperų srovės, kartais sukuria mikrostruktūrinius defektus smaigalio viršūnėje. Šie defektai, veikiami 3400–3500 laipsnių Celsijaus lydymosi temperatūros atitikmenų, sukuria vietines karštąsias zonas, kurios, nepaisant 400–500 gigapaskalių Youngo modulio atsparumo, sukelia šiluminį dreifą. Kai 10–50 nanometrų aukso danga, nusodinta 10–50 vatų galia, pradeda luptis dėl netolygios plėtimosi koeficiento įtakos, zondas praranda elektrinį kontaktą su paviršiumi, o tai sukelia momentinį srovės šuolį, galintį išlydyti tiriamąjį objektą.
Silicio sija, naudojama kaip mechaninis jutiklis, demonstruoja netiesioginę priklausomybę nuo 0,1–10 niutonų metrui spyruoklės konstantos. Kai 100–200 mikrometrų ilgio ir 1–2 mikrometrų storio elementas patiria rezonansinį dažnį, viršijantį 100 kHz, atsiranda „šokinėjimo“ efektas. Šiuo atveju sija praranda sąlytį su paviršiumi ir pradeda vibruoti chaotiškai, generuodama 10–50 nanometrų aliuminio sluoksnio atspindžio klaidas, kurios optinėje sistemoje atrodo kaip nenutrūkstamas triukšmas, o ne kaip realūs topografiniai duomenys.
Gilaus reaktyviojo joninio ėsdinimo būdu suformuotas 99,99 procentų grynumo silicio audinys, esant 20–50 mikrometrų pločiui, yra linkęs į nuovargio lūžius, jei PID valdiklis per agresyviai reaguoja į paviršiaus nelygumus. Kai 10–50 vatų galios aliuminio danga perkaista, jos atspindžio koeficientas kinta, o tai sukelia lazerio spindulio fokusavimo nuokrypius. Šis reiškinys priverčia 0,5–1,0 skaitinės apertūros lęšius nuolat koreguoti padėtį, tačiau optinė ašis dažniausiai nespėja paskui mechaninę deformaciją, todėl fotodetektoriaus signalas praranda savo 10–100 kHz dažnių juostos vientisumą.
PZT medžiagos blokas, kurio dydis 10x10x2 milimetrai, veikia kaip pagrindinis sistemos nestabilumo šaltinis dėl savo 500–600 pC/N koeficiento. Kai įtampa, tiekiama 10–100 kartų stiprinančio stiprintuvo, staiga kinta, pjezoelektrinis elementas patiria histerezę, kurią lydi mechaninė įtampa. Ši įtampa, esant 350–400 laipsnių Celsijaus Kiuri temperatūros ribai, sukelia mikroįtrūkimus keraminėje matricoje, o tai pakeičia zondo judėjimo trajektoriją trimis ašimis nuo 10 iki 100 mikrometrų horizontaliai ir 1–10 mikrometrų vertikaliai.
Kai 635–650 nanometrų lazeris atsispindi nuo konsolės nugarėlės, fotodetektorius, turintis 0,5–1,0 A/W responsyvumą, fiksuoja ne tik paviršiaus informaciją, bet ir optines interferencijas. Šios interferencijos, atsirandančios dėl 10–20 milimetrų židinio nuotolio lęšių netobulumo, sukuria vaiduoklinius signalus, kurie DSP procesoriuje, veikiančiame 100–1000 MHz taktiniu dažniu, yra interpretuojami kaip netikri paviršiaus „kalnai“. Tai sukelia PID valdiklio perreguliavimą, dėl kurio sistema pradeda osciliuoti aplink savo pusiausvyros tašką.
Skaitmeninis signalų procesorius, naudodamas C++ algoritmus, bando kompensuoti šias osciliacijas, tačiau 10–100 kartų stiprinamas signalas dažnai peržengia analoginio-skaitmeninio keitiklio dinaminį diapazoną. Kai DSP bando filtruoti šį triukšmą žemųjų dažnių filtrais, prarandama kritinė informacija apie paviršiaus atominę struktūrą. Tai lemia, kad 0,1–1 nanometro rezoliucija tampa nepasiekiama, o rezultatuose matomi tik skaičiavimo klaidų suformuoti artefaktai, kurie nėra susiję su realia medžiagos topografija.
Temperatūros svyravimai ±0,1 laipsnio tikslumu, nors ir atrodo minimalūs, sukelia mikroskopinius 10^-9 mbar vakuumo sandariklių pokyčius. Šie pokyčiai, nors ir nepastebimi makroskopiniame lygmenyje, sukelia mechaninį sistemos „sėdimą“, kurį PZT skeneris bando kompensuoti, tačiau dėl savo fizinių ribų pasiekia 100 mikrometrų horizontalaus judėjimo limitą. Šiuo momentu sistema užstringa, o zondas, nebegalėdamas atlikti rasterinio judesio, pradeda „arti“ paviršių, sukeldamas neatstatomą žalą tiek mėginiui, tiek pačiam volframo smaigaliui.
Galiausiai, pagrindinis inžinerinis barjeras yra ne zondo jautrumas, o informacijos apdorojimo greičio ir mechaninio atsako disonansas. Nors DSP procesorius veikia 1000 MHz dažniu, pjezoelektrinės medžiagos reakcijos laikas yra ribojamas jos vidinės struktūrinės inercijos. Kai skenavimo greitis viršija 10 kHz, pjezoelektrinis blokas nebėra pajėgus tiksliai atkartoti DSP siunčiamų impulsų, todėl atsiranda fazinis poslinkis, kuris paverčia visą matavimo procesą fiziniu paradoksu: kuo daugiau duomenų sistema bando surinkti per laiko vienetą, tuo mažiau patikima tampa kiekviena išmatuota koordinatė.