Американские физики довели разрешение электронного микроскопа до 0,04 нанометра

Американские физики разработали новую методику просвечивающей электронной микроскопии и довели максимальное разрешение получаемых изображений до 0,039 нанометра. Для этого был использован метод птихографии, который позволяет восстановить изображение из большого числа дифракционных спектров, полученных при различных условиях. Для реализации такого подхода ученые уменьшили энергию электронного пучка и создали для специальный детектор для улавливания небольшого числа рассеянных электронов. Максимальное разрешение полученных изображений примерно в 2–2,5 выше, чем удавалось получить с помощью электронной микроскопии раньше, пишут ученые в журнале Nature.

Современные методы микроскопии позволяют получать изображения поверхности кристаллов, на которых легко можно разглядеть отдельные атомы. Добиться атомарного разрешения удается, например, в атомно-силовых микроскопах, в которых благодаря использованию сканирующих иголок с острием толщиной в один атом, можно не только получать изображения отдельных молекул, но и двигать эти молекулы или отдельные атомы в пространстве. Другой подход для получения самых подробных изображений поверхности кристалла — просвечивающая электронная микроскопия. Современная электронная оптика позволяет избавиться от влияния аберрационных искажений и получать изображения с разрешением до десятой доли нанометра (это в десять миллиардов раз меньше метра).

Группа американских физиков под руководством Дэвида Муллера (David A. Muller) из Корнеллского университета смогла повысить разрешение просвечивающего электронного микроскопа еще примерно в два раза. Сделать это удалось с помощью техники птихографии, которая основана на восстановлении общего изображения из огромного числа дифракционных спектров, полученных при различных параметрах съемки. При получении различных спектров меняют в первую очередь размер диафрагмы электронной линзы (которая определят ширину электронного пучка), и энергию электронов, которыми облучают образец. Аналогичный подход используется для получения изображений с помощью рентгеновской и ультрафиолетовой оптики, однако реализовать его в таком качестве для электронного микроскопа раньше не удавалось.

Авторы работы отмечают, что поскольку для получения изображений таким способом необходимо получить очень много дифракционных спектров, то, чтобы не разрушить образец, нужно использовать электронные пучки с относительно низкой энергией. Например, в данной работе использовались электроны с энергией до 80 килоэлектронвольт (в большинстве современных просвечивающих микроскопов энергия электронного пучка составляет около 300 килоэлектронвольт). Особые требования предъявляются и к детектору, который должен очень быстро зафиксировать попадание на него рассеянных электронов в очень широком диапазоне интенсивностей. В результате дифракционные спектры приходится записывать за очень короткое время, а регистрируемый при этом ток иногда не превосходит 0,3 пикоампер на один пиксель.

Для работы в таком диапазоне условий ученые разработали специальный детектор, который позволяет улавливать электроны с квантовой эффективностью до 96 процентов. Возможность использовать предложенный подход физики проверили на двумерном кристалле дисульфида молибдена с необычной искривленной структурой. В процессе анализа за одну секунду с образца снимались около тысячи различных дифракционных спектров, которые затем анализировались и преобразовывались в реальное изображение. Максимальное полученное разрешение составило около 0,039 ангстрем — примерно в 2–2,5 раза больше, чем удавалось получить до этого.

Похожий метод недавно использовали немецкие ученые для получения с помощью просвечивающего электронного микроскопа голограмм. Тогда восстановить изображение кристаллической структуры другого двумерного кристалла — диселенида вольфрама — ученым также удалось из записи фазы сигнала, но разрешение полученного изображение было ниже.

Стоит отметить, что современные методы просвечивающей электронной микроскопии позволяют не только получать изображение с разрешением менее одного ангстрема, но и записывать трехмерные и видеоизображения. Благодаря таким микроскопам ученые могут исследовать процессы движения и роста дефектов в кристаллах, колебания электромагнитных полей или диффузии броуновских наночастиц.