Просвечивающий микроскоп с электронной коррекцией аберраций

Эволюция пространственного разрешения, достигаемая с помощью оптических, трансмиссионных (TEM) и электронных микроскопов с коррекцией аберраций (ACTEM).

Просвечивающий микроскоп с коррекцией электронной аберрации ( TEAM ) — это совместный исследовательский проект четырех лабораторий США и двух компаний. Основная деятельность проекта — разработка и применение просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) с пространственным разрешением менее 0,05 нанометра , что примерно вдвое меньше размера атома водорода .

Проект базируется в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, штат Калифорния , и включает в себя Аргоннскую национальную лабораторию , Окриджскую национальную лабораторию и Лабораторию исследования материалов Фредерика Зейтца в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , а также FEI компании и CEOS. при поддержке Министерства энергетики США . Проект был начат в 2004 году; Операционный микроскоп был построен в 2008 году и достиг целевого разрешения 0,05 нм в 2009 году. Микроскоп представляет собой совместно используемое оборудование, доступное внешним пользователям.

Научная основа

Давно известно, что наилучшее достижимое пространственное разрешение оптического микроскопа, то есть наименьшая деталь, которую он может наблюдать, имеет порядок длины волны света λ, что составляет около 550 нм для зеленого света. Один из способов улучшить это разрешение — использовать частицы с меньшими λ, такие как электроны высокой энергии. Практические ограничения устанавливают удобную энергию электронов на уровне 100–300 кэВ , что соответствует λ = 3,7–2,0 пм . Разрешение электронных микроскопов ограничено не длиной волны электронов, а внутренними недостатками электронных линз. Их называют сферическими и хроматическими аберрациями из-за их сходства с аберрациями оптических линз. Эти аберрации уменьшаются путем установки в микроскоп набора специально разработанных вспомогательных «линз», называемых корректорами аберраций.

Аппаратное обеспечение

TEAM основан на коммерческом электронном микроскопе FEI Titan 80–300, который может работать при напряжениях от 80 до 300 кэВ как в режиме TEM, так и в режиме сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM). Для минимизации механических вибраций микроскоп располагается в отдельном помещении в звуконепроницаемом корпусе и управляется дистанционно. Источником электронов является типа Шоттки автоэмиссионная пушка с относительно небольшим разбросом по энергии 0,8 эВ при 300 кэВ. Чтобы уменьшить хроматические аберрации, этот разброс дополнительно снижается до 0,13 эВ при 300 кэВ и 0,08 эВ при 80 кэВ с использованием фильтра Вина типа монохроматора . Как осветительная линза, расположенная над образцом и условно называемая конденсорной линзой , так и собирающая линза (называемая объективом ) снабжены корректорами сферических аберраций пятого порядка. Электроны дополнительно фильтруются по энергии с помощью GIF-фильтра и обнаруживаются ПЗС- камерой. Фильтр позволяет отбирать электроны, рассеянные конкретными химическими элементами, и таким образом идентифицировать отдельные атомы в исследуемом образце.

Приложения

TEAM был протестирован на различных кристаллических твердых телах, разрешая отдельные атомы в GaN ( ориентация [211] ), германии ([114]), золоте ([111]) и других, и достигая пространственного разрешения ниже 0,05 нм (около 0,045 нм). ). На изображениях графена — цельного листа графита — можно было наблюдать не только атомы, но и химические связи. Внутри микроскопа был записан фильм, показывающий прыжок отдельных атомов углерода вокруг отверстия, пробитого в листе графена. Подобные изображения, разрешающие атомы углерода и связи между ними, были независимо получены для пентацена — плоской органической молекулы, состоящей из пяти углеродных колец — с использованием совершенно другого метода микроскопии — атомно-силовой микроскопии (АСМ). В АСМ атомы исследуются не электронами, а острым вибрирующим наконечником.

Внешние ссылки

• Главный сайт проекта TEAM