Сверхбыстрая сканирующая электронная микроскопия

Сверхбыстрая сканирующая электронная микроскопия ( UFSEM ) сочетает в себе два микроскопических метода: зондовую микроскопию и сканирующий электронный микроскоп для сбора данных о явлениях временного и пространственного разрешения. В этом методе для возбуждения материала накачкой используются ультракороткие лазерные импульсы, а отклик образца будет обнаружен детектором Эверхарта-Торнли . Получение данных зависит главным образом от формирования изображений в режиме растрового сканирования после накачки коротким лазерным импульсом с различными временами задержки. Характеристика выходного изображения будет осуществляться через аспект временного разрешения . ^{[ нужны разъяснения ]} Таким образом, идея состоит в том, чтобы использовать более короткую длину волны ДеБройля по отношению к фотонам, что имеет большое значение для увеличения разрешения примерно на 1 нм. ^[1] Этот метод представляет собой современный подход к изучению динамики заряда на поверхностях материалов.

разрешенное в сканирующей электронной Время , спектроскопии

Эрнст Руска был пионером немецкого учёного, получившего Нобелевскую премию в 1986 году за работу по разработке электронного микроскопа в 1933 году в сотрудничестве с Максом Кноллем . ^[2] В настоящее время электронная микроскопия является широко используемым инструментом из-за улучшения не только пространственного разрешения по сравнению с оптическим микроскопом , но также высокого контраста изображения и замечательной чувствительности из-за того, что электроны влияют на вещество сильнее по сравнению с фотонами . ^{[ нужны разъяснения ]}} Исходя из этой концепции, технология сверхбыстрой сканирующей электронной микроскопии была модифицирована с помощью ультракороткоимпульсного лазера , который позволяет ученым исследовать динамику материалов в короткие и сверхкороткие сроки. Первая попытка применить этот метод была предпринята Ларри Д. Флеснером в патенте США в 1990 году. Он использовал сканирующую электронную микроскопию и модулированный свет для изучения фотоэлектрических свойств поверхности полупроводников как во времени, так и в пространстве. ^[3] В настоящее время зондовая микроскопия была усовершенствована после того, как Ахмед Зеваил открыл фемтосекундную шкалу времени для химических реакций и получил Нобелевскую премию за свое историческое открытие. ^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]

Сканирующая электронная микроскопия [ править ]

Сканирующая электронная микроскопия — мощный метод картирования топографии поверхности образца и содержания материала в очень широком диапазоне металлических, полупроводниковых и даже органических образцов в вакууме или среде низкого давления. ^[9] Принцип основан на сканировании образца пучком электронов размером в несколько нанометров. Если толщина образца находится в пределах нескольких микрометров, электронный луч будет полностью ослаблен за счет взаимодействия с электронами или атомами образца. Взаимодействие электрона с образцом может быть упругим или неупругим. В первом случае потери энергии невелики, и электроны могут обратно рассеяться за пределы образца. ^[10] В процессе неупругого взаимодействия выбрасываются низкоэнергетические электроны с энергиями примерно до 30 КэВ. Показанное изображение суммирует все виды возможных взаимодействий и их глубину, связанную с образцом. Например, рентгеновские лучи могут генерироваться с некоторой глубины или оже-электрон может генерироваться близко к поверхности. Специальные детекторы используются для определения типа излучаемой энергии и преобразования ее интенсивности в электронный сигнал. Окончательное изображение, полученное и реконструированное в режиме растрового сканирования , не содержит информации о цвете и обычно представляется в оттенках серого . Поскольку вторичные электроны имеют энергию менее 50 эВ, они предоставляют информацию только на расстоянии нескольких нанометров от поверхности. ^{[ нужна ссылка ]}

Насосно-зондовая микроскопия [ править ]

Насосно-зондовые методы в физике.

Явление зондовой микроскопии , широко известное как микроскопия переходного поглощения, представляет собой своего рода нелинейный процесс, начинающийся с возбуждения материала очень коротким импульсным лазерным лучом (накачкой), который вызывает внутренний переход. ^[11] Зондирующий луч следует за лучом насоса, чтобы отслеживать прогресс, происходящий внутри материала, также за очень короткое время. В действительности, этот отклик можно изменить, управляя временной задержкой между насосом и зондом, и таким образом концепция спектроскопии с временным разрешением будет использоваться для отслеживания эволюции динамического процесса как функции времени. ^[12] В настоящее время оцененное влияние на достижение высокого прогресса в этом явлении напрямую исходит от нелинейной оптики . ^[13] Существует множество способов нелинейного взаимодействия процессов, например, генерация второй гармоники , когерентное антистоксово комбинационное рассеяние или двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция. Самое удивительное в сверхбыстрой сканирующей электронной микроскопии заключается в том, насколько мощной она становится благодаря сочетанию высокого пространственного разрешения электронов и временного разрешения сверхбыстрой зондовой микроскопии накачки. ^[14]

Методика измерения [ править ]

Фундаментальная идея заключается в том, что измерения были созданы для использования пространственного разрешения электронной микроскопии и временного разрешения сверхбыстрого зонда оптической накачки. ^[15] Установка просто состоит из сканирующей электронной микроскопической машины, которая всегда работает в сверхвысоком вакууме, рассматривая электронный луч в качестве зонда и ультракороткий лазерный луч в качестве накачки. ^[16] Во-первых, в качестве источника первичного луча чаще всего используется эмиссионная пушка Шоттки из-за высокой яркости луча после прохождения через электромагнитную линзу. Во-вторых, фемтосекундный мощный волоконный лазер с частотой повторения от КГЦ до нескольких МГц нелинейно расщепляется на третью и четвертую гармоники генерации 343 нм и 257 нм соответственно. Во время измерения излучение зонда меньше предела теплового излучения для перехода в режим фотоэмиссии. Этот режим фотоэмиссии улучшается за счет того, что луч генерации гармоник взаимодействует с наконечником, который генерирует больше электронов. С другой стороны, для возбуждения самого образца будет использоваться еще одна генерация третьей гармоники. Измерение с временным разрешением будет осуществляться путем обнаружения эмиссии вторичных электронов в форме изображения при разном времени задержки между лучами третьей и четвертой гармоник. Окончательную приобретенную интенсивность необходимо нормализовать путем вычитания из фона. Важно получить результаты измерений с разным временем задержки в прямом и обратном направлении, что является хорошим инструментом для проверки стабильности и воспроизводимости. ^[17]

Приложения [ править ]

Мощь этого метода отвечает требованиям исследования инновационных материалов для электроники , устойчивого сбора энергии и фотоники , что позволяет нам глубоко изучать динамику заряда полупроводниковых материалов, стимулированных ультракоротким лазерным лучом. Он обладает мощными возможностями рекомбинации и захвата носителей в физике конденсированного состояния, что обеспечивает больший прогресс в производстве фотоэлектрических элементов.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Чжу, Ю.; Инада, Х.; Накамура, К.; Уолл, Дж. (октябрь 2009 г.). «Отображение отдельных атомов с использованием вторичных электронов с помощью электронного микроскопа с коррекцией аберраций» . Природные материалы . 8 (10): 808–812. Бибкод : 2009NatMa...8..808Z . дои : 10.1038/nmat2532 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 19767737 .
^ Нолл, М.; Руска, Э. (май 1932 г.). «Электронный микроскоп». Журнал физики . 78 (5–6): 318–339. Бибкод : 1932ZPhy...78..318K . дои : 10.1007/BF01342199 . S2CID 186239132 .
^ «Патент США на сканирующую электронную микроскопию с использованием фотоэлектрического контрастного изображения (Патент № 4,902,967, выданный 20 февраля 1990 г.) - Поиск патентов Justia» . патенты.justia.com .
^ Зеваил, АХ (8 апреля 2010 г.). «Четырехмерная электронная микроскопия». Наука . 328 (5975): 187–193. Бибкод : 2010Sci...328..187Z . дои : 10.1126/science.1166135 . ПМИД 20378810 . S2CID 5449372 .
^ Ванакор, генеральный менеджер; Фицпатрик, AWP; Зеваил, АХ (апрель 2016 г.). «Четырехмерная электронная микроскопия: сверхбыстрая визуализация, дифракция и спектроскопия в материаловедении и биологии» . Нано сегодня . 11 (2): 228–249. дои : 10.1016/j.nantod.2016.04.009 .
^ Барвик, Бретт; Зеваил, Ахмед Х. (21 октября 2015 г.). «Фотоника и плазмоника в 4D сверхбыстрой электронной микроскопии» . АСУ Фотоника . 2 (10): 1391–1402. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00427 .
^ Ванакор, Джованни М.; Ху, Цзяньбо; Лян, Вэньси; Бьетти, Серджио; Сангинетти, Стефано; Зеваил, Ахмед Х. (12 ноября 2014 г.). «Дифракция квантовых точек обнаруживает наномасштабную сверхбыструю локализацию энергии» . Нано-буквы . 14 (11): 6148–6154. Бибкод : 2014NanoL..14.6148V . дои : 10.1021/nl502293a . ISSN 1530-6984 . ПМИД 25099123 .
^ Пак, Хён Сун; Баскин, Дж. Спенсер; Квон, О-Хун; Зеваил, Ахмед Х. (1 сентября 2007 г.). «Визуализация атомного масштаба в реальном и энергетическом пространстве, созданная с помощью сверхбыстрой электронной микроскопии» . Нано-буквы . 7 (9): 2545–2551. Бибкод : 2007NanoL...7.2545P . дои : 10.1021/nl071369q . ISSN 1530-6984 . ПМИД 17622176 .
^ Макмаллан, Д. (1995). «Сканирующая электронная микроскопия 1928–1965» . Сканирование . 17 (3): 175–185. дои : 10.1002/sca.4950170309 .
^ Зайлер, Х. (ноябрь 1983 г.). «Вторичная электронная эмиссия в сканирующем электронном микроскопе». Журнал прикладной физики . 54 (11): Р1–Р18. Бибкод : 1983JAP....54R...1S . дои : 10.1063/1.332840 .
^ Фишер, Мартин С.; Уилсон, Джесси В.; Роблес, Франциско Э.; Уоррен, Уоррен С. (март 2016 г.). «Приглашенная обзорная статья: Насосно-зондовая микроскопия» . Обзор научных инструментов . 87 (3): 031101. Бибкод : 2016RScI...87c1101F . дои : 10.1063/1.4943211 . ПМЦ 4798998 . ПМИД 27036751 .
^ Давыдова, Дарья; де ла Кадена, Алехандро; Деммлер, Стефан; Ротхардт, Ян; Лимперт, Йенс; Пашер, Торбьёрн; Акимов, Денис; Дитцек, Бенджамин (январь 2016 г.). «Сверхбыстрая нестационарная абсорбционная микроскопия: исследование динамики возбужденного состояния в кристаллах PtOEP». Химическая физика . 464 : 69–77. Бибкод : 2016CP....464...69D . doi : 10.1016/j.chemphys.2015.11.006 .
^ Шен, Ю.Р. (февраль 1989 г.). «Свойства поверхности, исследованные методами генерации второй гармоники и суммарной частоты» . Природа . 337 (6207): 519–525. Бибкод : 1989Natur.337..519S . дои : 10.1038/337519a0 . S2CID 4233043 .
^ Ян, Д.-С.; Мохаммед, ОФ; Зеваил, АХ (9 августа 2010 г.). «Сканирующая сверхбыстрая электронная микроскопия» . Труды Национальной академии наук . 107 (34): 14993–14998. Бибкод : 2010PNAS..10714993Y . дои : 10.1073/pnas.1009321107 . ПМЦ 2930532 . ПМИД 20696933 .
^ Карбоне, Ф. (1 июня 2011 г.). «Современная электронная микроскопия разрешила пространство, энергию и время» . Европейский физический журнал «Прикладная физика» . 54 (3): 33503. Бибкод : 2011EPJAP..5433503C . дои : 10.1051/epjap/2010100354 . ISSN 1286-0042 .
^ Зани, Маурицио; Сала, Витторио; Ирде, Габриэле; Пьетралунга, Сильвия Мария; Мандзони, Кристиан; Черулло, Джулио; Ланзани, Гульельмо; Тальяферри, Альберто (апрель 2018 г.). «Динамика заряда в тонкой пленке оксида алюминия, исследованная с помощью сверхбыстрой сканирующей электронной микроскопии». Ультрамикроскопия . 187 : 93–97. дои : 10.1016/j.ultramic.2018.01.010 . hdl : 11311/1042380 . ПМИД 29427914 .
^ Ирде, Габриэле; Пьетралунга, Сильвия Мария; Сала, Витторио; Зани, Маурицио; Болл, Джеймс М.; Баркер, Алекс Дж.; Петроцца, Аннамария; Ланзани, Гульельмо; Тальяферри, Альберто (июнь 2019 г.). «Изображение фотоиндуцированных поверхностных потенциалов на гибридных перовскитах с помощью сканирующей электронной микроскопии в реальном времени». Микрон . 121 : 53–65. дои : 10.1016/j.micron.2019.03.002 . hdl : 11311/1080079 . ПМИД 30947034 . S2CID 96432776 .

Внешние ссылки [ править ]

[1] Чжу, Ю.; Инада, Х.; Накамура, К.; Уолл, Дж. (октябрь 2009 г.). «Отображение отдельных атомов с использованием вторичных электронов с помощью электронного микроскопа с коррекцией аберраций» . Природные материалы . 8 (10): 808–812. Бибкод : 2009NatMa...8..808Z . дои : 10.1038/nmat2532 . ISSN 1476-4660 . ПМИД 19767737 .

[2] Нолл, М.; Руска, Э. (май 1932 г.). «Электронный микроскоп». Журнал физики . 78 (5–6): 318–339. Бибкод : 1932ZPhy...78..318K . дои : 10.1007/BF01342199 . S2CID 186239132 .

[3] «Патент США на сканирующую электронную микроскопию с использованием фотоэлектрического контрастного изображения (Патент № 4,902,967, выданный 20 февраля 1990 г.) - Поиск патентов Justia» . патенты.justia.com .

[4] Зеваил, АХ (8 апреля 2010 г.). «Четырехмерная электронная микроскопия». Наука . 328 (5975): 187–193. Бибкод : 2010Sci...328..187Z . дои : 10.1126/science.1166135 . ПМИД 20378810 . S2CID 5449372 .

[5] Ванакор, генеральный менеджер; Фицпатрик, AWP; Зеваил, АХ (апрель 2016 г.). «Четырехмерная электронная микроскопия: сверхбыстрая визуализация, дифракция и спектроскопия в материаловедении и биологии» . Нано сегодня . 11 (2): 228–249. дои : 10.1016/j.nantod.2016.04.009 .

[6] Барвик, Бретт; Зеваил, Ахмед Х. (21 октября 2015 г.). «Фотоника и плазмоника в 4D сверхбыстрой электронной микроскопии» . АСУ Фотоника . 2 (10): 1391–1402. doi : 10.1021/acsphotonics.5b00427 .

[7] Ванакор, Джованни М.; Ху, Цзяньбо; Лян, Вэньси; Бьетти, Серджио; Сангинетти, Стефано; Зеваил, Ахмед Х. (12 ноября 2014 г.). «Дифракция квантовых точек обнаруживает наномасштабную сверхбыструю локализацию энергии» . Нано-буквы . 14 (11): 6148–6154. Бибкод : 2014NanoL..14.6148V . дои : 10.1021/nl502293a . ISSN 1530-6984 . ПМИД 25099123 .

[8] Пак, Хён Сун; Баскин, Дж. Спенсер; Квон, О-Хун; Зеваил, Ахмед Х. (1 сентября 2007 г.). «Визуализация атомного масштаба в реальном и энергетическом пространстве, созданная с помощью сверхбыстрой электронной микроскопии» . Нано-буквы . 7 (9): 2545–2551. Бибкод : 2007NanoL...7.2545P . дои : 10.1021/nl071369q . ISSN 1530-6984 . ПМИД 17622176 .

[9] Макмаллан, Д. (1995). «Сканирующая электронная микроскопия 1928–1965» . Сканирование . 17 (3): 175–185. дои : 10.1002/sca.4950170309 .

[10] Зайлер, Х. (ноябрь 1983 г.). «Вторичная электронная эмиссия в сканирующем электронном микроскопе». Журнал прикладной физики . 54 (11): Р1–Р18. Бибкод : 1983JAP....54R...1S . дои : 10.1063/1.332840 .

[11] Фишер, Мартин С.; Уилсон, Джесси В.; Роблес, Франциско Э.; Уоррен, Уоррен С. (март 2016 г.). «Приглашенная обзорная статья: Насосно-зондовая микроскопия» . Обзор научных инструментов . 87 (3): 031101. Бибкод : 2016RScI...87c1101F . дои : 10.1063/1.4943211 . ПМЦ 4798998 . ПМИД 27036751 .

[12] Давыдова, Дарья; де ла Кадена, Алехандро; Деммлер, Стефан; Ротхардт, Ян; Лимперт, Йенс; Пашер, Торбьёрн; Акимов, Денис; Дитцек, Бенджамин (январь 2016 г.). «Сверхбыстрая нестационарная абсорбционная микроскопия: исследование динамики возбужденного состояния в кристаллах PtOEP». Химическая физика . 464 : 69–77. Бибкод : 2016CP....464...69D . doi : 10.1016/j.chemphys.2015.11.006 .

[13] Шен, Ю.Р. (февраль 1989 г.). «Свойства поверхности, исследованные методами генерации второй гармоники и суммарной частоты» . Природа . 337 (6207): 519–525. Бибкод : 1989Natur.337..519S . дои : 10.1038/337519a0 . S2CID 4233043 .

[14] Ян, Д.-С.; Мохаммед, ОФ; Зеваил, АХ (9 августа 2010 г.). «Сканирующая сверхбыстрая электронная микроскопия» . Труды Национальной академии наук . 107 (34): 14993–14998. Бибкод : 2010PNAS..10714993Y . дои : 10.1073/pnas.1009321107 . ПМЦ 2930532 . ПМИД 20696933 .

[15] Карбоне, Ф. (1 июня 2011 г.). «Современная электронная микроскопия разрешила пространство, энергию и время» . Европейский физический журнал «Прикладная физика» . 54 (3): 33503. Бибкод : 2011EPJAP..5433503C . дои : 10.1051/epjap/2010100354 . ISSN 1286-0042 .

[16] Зани, Маурицио; Сала, Витторио; Ирде, Габриэле; Пьетралунга, Сильвия Мария; Мандзони, Кристиан; Черулло, Джулио; Ланзани, Гульельмо; Тальяферри, Альберто (апрель 2018 г.). «Динамика заряда в тонкой пленке оксида алюминия, исследованная с помощью сверхбыстрой сканирующей электронной микроскопии». Ультрамикроскопия . 187 : 93–97. дои : 10.1016/j.ultramic.2018.01.010 . hdl : 11311/1042380 . ПМИД 29427914 .

[17] Ирде, Габриэле; Пьетралунга, Сильвия Мария; Сала, Витторио; Зани, Маурицио; Болл, Джеймс М.; Баркер, Алекс Дж.; Петроцца, Аннамария; Ланзани, Гульельмо; Тальяферри, Альберто (июнь 2019 г.). «Изображение фотоиндуцированных поверхностных потенциалов на гибридных перовскитах с помощью сканирующей электронной микроскопии в реальном времени». Микрон . 121 : 53–65. дои : 10.1016/j.micron.2019.03.002 . hdl : 11311/1080079 . ПМИД 30947034 . S2CID 96432776 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]