Udvikling af nye elektronmikroskopiteknikker til at udtrække sløret information om materialeegenskaber

NIMS-forskere Bo Da (forsker ved RCAMC og CMI2, MaDIS) og Hideki Yoshikawa (leder af Surface Chemical Analysis Group) og en forskningsgruppe ledet af Shigeo Tanuma (NIMS Special Researcher), Kazuhito Tsukakoshi (MANA hovedefterforsker, NIMS), Kazuyuki Watanabe (professor, Tokyo University of Science) og Zejun Ding (professor, University of Science and Technology of China) udviklede i fællesskab alsidige spektroskopiske mikroskopiteknikker, der er i stand til samtidig at måle en nano-tynd film ved en bred vifte af elektronenerginiveauer, fra næsten nul energi til høj energi, ved hjælp af et mikroskop, der anvender elektronstråler. Gruppen demonstrerede også teknikkens effektivitet.

Konventionelle metoder til måling af nanotynde film kræver stor omhu, fordi de kræver ændring af energiniveauet af en monokromatisk indfaldende elektronstråle og genjustering af det optiske elektronsystem, mens elektronmikroskopbilledet måles. Vi behandlede dette problem ved hjælp af en kreativ tilgang. Vi udviklede en ny måleteknik ved hjælp af sekundære elektroner - som genereres i et substratmateriale og har en bred energifordeling - som en virtuel hvid elektronsonde. For at reducere denne teknik til praksis, vi var nødt til fuldstændigt at eliminere baggrundssignaler fra sekundære elektroner. Vi brugte firepunktssondemetoden, der bruges i astronomi til nøjagtigt at detektere svage signaler optaget af teleskoper. Denne metode gjorde det muligt for os samtidig at måle elektrontransmittansen af ​​grafen ved en bred vifte af energiniveauer mellem næsten nul og 600 elektronvolt. Vi bekræftede derefter, at de målte værdier stemte godt overens med teoretiske værdier. Denne undersøgelse rapporterer for første gang, at information om et materiales egenskaber – specifikt, elektrontransmittansen af ​​nanotynde film - kan udvindes fra sekundære elektronsignaler.

Måling af et materiales transmittansegenskaber ved brug af synligt lys af forskellige energiniveauer er analog med at identificere materialets farve. Tilsvarende måling af elektrontransmittansen af ​​en nano-tynd film ved hjælp af elektroner med forskellige energiniveauer er analog med at identificere farven på et lokaliseret område af filmen ved hjælp af et mere snævert fokuseret "øje" (elektroner). Det er svært hurtigt at bestemme kvaliteten (f.eks. farve) af nanotynde film på bestemte målsteder, da selve filmen normalt er svær at lokalisere. Derfor, teknikker som den, der er udviklet i denne undersøgelse, vil være meget værdifulde i forskningen i nye nanotynde film, hvor filmens kvalitative konsistens over et stort område skal sikres.