Elektronmikroskopdetektor opnår rekordopløsning

Elektronmikroskopi har givet forskere mulighed for at se individuelle atomer, men selv ved den opløsning er ikke alt klart.

Linserne i elektronmikroskoper har iboende ufuldkommenheder kendt som aberrationer, og specielle aberrationskorrigerere - "som briller til dit mikroskop, "sagde David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik i Institut for Anvendt og Ingeniørfysik (AEP) - er blevet udviklet gennem årene for at rette op på disse fejl.

Aberrationskorrigere går kun så langt, imidlertid, og for at korrigere flere afvigelser, du har brug for en stadig voksende samler af korrekturelementer. Det er som at sætte glas på glas på glas - det bliver lidt uhåndterligt.

Muller - sammen med Sol Gruner, John L. Wetherill professor i fysik, og Veit Elser, professor i fysik-har udviklet en metode til at opnå ultrahøj opløsning uden behov for "korrigerende linser" til deres mikroskop.

De har brugt deres Cornell-udviklede elektronmikroskop pixel array detektor (EMPAD), som blev introduceret i marts 2017. Med det har de opnået, hvad Muller, meddirektør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, sagde er en verdensrekord for billedopløsning-i dette tilfælde ved hjælp af monolag (et atom-tykt) molybdendisulfid (MoS2).

Deres præstation er rapporteret i "Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution, "udgives 19. juli i Natur . Medledende forfattere var Yi Jiang, Ph.d. '18 (fysik) og Zhen Chen, postdoktor i Muller -gruppen.

Elektronbølgelængder er mange gange mindre end for synligt lys, men elektronmikroskoplinser er ikke passende præcise.

Typisk, Muller sagde, opløsningen af ​​et elektronmikroskop afhænger i høj grad af linsens numeriske blænde. I et grundlæggende kamera, numerisk blænde er det gensidige af "f-tallet"-jo mindre tal, jo bedre opløsning.

I et godt kamera, det laveste f-tal eller "f-stop" kan være lidt under 2, men "et elektronmikroskop har et f-tal på omkring 100, "Sagde Muller. Aberrationskorrigerere kan bringe det tal ned på omkring 40, sagde han - stadig ikke fantastisk.

Billedopløsning i elektronmikroskopi er traditionelt blevet forbedret ved at øge både den numeriske blænde i linsen og energien i elektronstrålen, som gør for mikroskopet, hvad lys gør for et kamera eller et optisk mikroskop - belyser motivet.

Tidligere optegnelser for opløsning blev opnået med en aberrationskorrigeret linse og superhøj stråleenergi-300 kiloelektronvolt (keV)-for at opnå sub-ångström-opløsning. Atombindinger er generelt mellem 1 og 2 ångströms (Å) lange-en ångström er 0,1 nanometer-så sub-ångström-opløsning ville tillade en let at se individuelle atomer. Muller -gruppen var i stand til at nå en opløsning på 0,39 Å - en ny verdensrekord - og lavere, mindre skadelig stråleenergi, hvor opløsning fra de aberrationskorrigerede linser alene var 0,98 Å.

Mullers gruppe brugte EMPAD og en teknik kendt som ptychography:Da elektronstrålen scanner prøven, detektoren indsamler både fuldposition og momentumfordeling af de spredte elektroner i overlappende trin. Billedet rekonstrueres fra det resulterende 4-dimensionelle datasæt.

Gruppen brugte en stråleenergi på kun 80 keV for ikke at ødelægge MoS2. På trods af nærlysens energi, opløsningen ved hjælp af EMPAD er så god, mikroskopet er i stand til med en overraskende klarhed at opdage et manglende svovlatom - "en defekt i gitteret, "Gruner sagde-i et 2-D materiale." Det er forbløffende for mig, " han sagde.

Med en opløsningsevne mindre end den mindste atombinding, et nyt testobjekt til EMPAD -metoden var nødvendig. Yimo Han, Ph.D '18, og Pratiti Deb '16, fra Mullers gruppe, stablet to ark MoS2, et ark lidt skævt, så atomer fra de to ark var synlige på afstande fra en fuld bindelængde fra hinanden til at ligge oven på hinanden. "Det er i det væsentlige verdens mindste hersker, "Sagde Gruner.

EMPAD, som er blevet eftermonteret på mikroskoper på tværs af campus, kan registrere en lang række intensiteter - fra at detektere en enkelt elektron til intense stråler, der indeholder hundredtusinder eller endda en million elektroner.

"Den analogi, jeg kan lide at bruge, er, en bil kommer mod dig om natten, "Sagde Gruner." Og du ser på lysene, der kommer mod dig, og du kan læse nummerpladen mellem dem uden at blive blændet. "