Transmisyjny mikroskop z korekcją aberracji elektronowych
Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope ( TEAM ) to wspólny projekt badawczy czterech amerykańskich laboratoriów i dwóch firm. Głównym obszarem działalności projektu jest zaprojektowanie i zastosowanie transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) o rozdzielczości przestrzennej poniżej 0,05 nanometra , czyli mniej więcej połowy atomu wodoru .
Projekt ma siedzibę w Lawrence Berkeley National Laboratory w Berkeley w Kalifornii i obejmuje Argonne National Laboratory , Oak Ridge National Laboratory i Frederick Seitz Materials Research Laboratory na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign , a także firmy FEI i CEOS. wspierany przez Departament Energii USA . Projekt rozpoczął się w 2004 roku; mikroskop operacyjny został zbudowany w 2008 r. i osiągnął docelową rozdzielczość 0,05 nm w 2009 r. Mikroskop jest udostępnionym obiektem dostępnym dla użytkowników zewnętrznych.
Tło naukowe
Od dawna wiadomo, że najlepsza osiągalna rozdzielczość przestrzenna mikroskopu optycznego, czyli najmniejsza cecha, jaką może on obserwować, jest rzędu długości fali światła λ, która dla światła zielonego wynosi około 550 nm. Jednym ze sposobów poprawy tej rozdzielczości jest użycie cząstek o mniejszej wartości λ, takich jak wysokoenergetyczne elektrony. Praktyczne ograniczenia ustawiają dogodną energię elektronów na 100–300 keV , co odpowiada λ = 3,7–2,0 pm . Rozdzielczość mikroskopów elektronowych nie jest ograniczona długością fali elektronu, ale wewnętrznymi niedoskonałościami soczewek elektronowych. Są one określane jako sferyczne i aberracje chromatyczne ze względu na ich podobieństwo do aberracji w soczewkach optycznych. Wady te są redukowane poprzez zainstalowanie w mikroskopie zestawu specjalnie zaprojektowanych pomocniczych „soczewek” zwanych korektorami aberracji.
Sprzęt komputerowy
Zespół TEAM opiera się na komercyjnym mikroskopie elektronowym FEI Titan 80–300, który może pracować przy napięciu od 80 do 300 keV, zarówno w trybach TEM, jak i skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM). W celu zminimalizowania drgań mechanicznych mikroskop znajduje się w osobnym pomieszczeniu w dźwiękoszczelnej obudowie i jest obsługiwany zdalnie. Źródłem elektronów jest działo polowe typu Schottky'ego o stosunkowo niskim rozkładzie energii 0,8 eV przy 300 keV. Aby zredukować aberracje chromatyczne, rozrzut ten jest dalej obniżany do 0,13 eV przy 300 keV i 0,08 eV przy 80 kV przy użyciu typu Wien monochromator . Zarówno soczewka oświetlająca, która znajduje się nad próbką i jest umownie nazywana soczewką kondensującą , jak i soczewka zbierająca (zwana soczewką obiektywową ) są wyposażone w korektory aberracji sferycznej piątego rzędu. Elektrony są dalej filtrowane energią przez filtr GIF i wykrywane przez CCD . Filtr umożliwia wyselekcjonowanie elektronów rozproszonych przez określone pierwiastki chemiczne, a tym samym identyfikację poszczególnych atomów w badanej próbce.
Aplikacje
TEAM został przetestowany na różnych krystalicznych ciałach stałych, rozdzielając pojedyncze atomy w GaN ( orientacja [211 ] ), germanie ([114]), złocie ([111]) i innych, osiągając rozdzielczość przestrzenną poniżej 0,05 nm (około 0,045 nm ). Na obrazach grafen — pojedynczy arkusz grafitu — można było zaobserwować nie tylko atomy, ale także wiązania chemiczne. Wewnątrz mikroskopu nagrano film pokazujący skakanie pojedynczych atomów węgla wokół otworu wyciętego w arkuszu grafenu. Podobne zdjęcia przedstawiające atomy węgla i wiązania między nimi zostały niezależnie utworzone dla pentacenu — płaskiej cząsteczki organicznej składającej się z pięciu pierścieni węglowych — przy użyciu zupełnie innej techniki mikroskopowej — mikroskopii sił atomowych (AFM). W AFM atomy są badane nie przez elektrony, ale przez ostrą wibrującą końcówkę.