Надо ли повышать точность электронного микроскопа, когда у нас есть STEM?

В работе, опубликованной недавно в журнале Physical Review Letters, группа ученых из Австралии предложила способ корректировки аберраций электронного пучка в электронном микроскопе. Разработанная установка позволит в реальном времени наблюдать процессы в кристаллах, информацию о которых раньше можно было получить только при помощи симуляций.

Элементом, значительно упростившим отображение объектов атомарного масштаба, в свое время стало представление компонент, которые позволяют компенсировать геометрические аберрации, возникающие в линзах для электронных пучков. Благодаря им, теперь просвечивающие электронные микроскопы (Transmission electron microscopy, TEM) и сканирующие просвечивающие электронные микроскопы (STEM) могут фокусировать электронный луч в пятно, по размеру значительно меньше расстояния между атомами в твердом теле. Обе техники дают возможность получить изображения, свободные от артефактов и превосходно отражающие атомарную структуру исследуемого образца. Эти инструменты кажутся идеальными для изучения конфигурации локальных дефектов, структуры поверхности и даже объединений атомов в крошечных наночастицах.

Схематическое изображение разработанной австралийскими учеными модификации электронного микроскопа.

Но получаемые таким образом микрограммы – это не исследование рассеяние как такового, а получение «интегральной» информации об исследуемых веществах. А вот если бы можно было наблюдать само рассеяние, оно дало бы, возможно, информацию о взаимодействиях электронов и физических механизмах, лежащих в основе полученных ранее изображений. Для этого исследователи из Monash University (Австралия) начали эксперименты по усовершенствованию менее точной техники исследований (по сравнению с просвечивающим электронным микроскопом) – «классического» электронного микроскопа. Согласно их работе, электронный микроскоп, оборудованный двумя корректорами аберраций, может быть настроен для получения изображений с атомарным разрешением в режиме реального времени.

В отличие от TEM и STEM, электронный микроскоп формирует изображение за счет дифракции электронного луча на объекте. Дифракционные процессы широко используются для исследований в самых разнообразных областях практической физики, материаловедении и биологии. Получаемое изображение отражает характер периодичности в исследуемом образце (грубо говоря, фурье-преобразование от функции «пропускания» образца). Таким образом, картинка содержит всю информацию об атомарной структуре материала, а также данные об искажениях, локальных явлениях и феноменах дальнего порядка (а иногда даже о форме отдельных частиц).

До сих пор дифракционная картина являлась лишь непрямым доказательством того, что кристалл обеспечивает когерентное рассеяние лучей. Однако, что происходит внутри кристалла, показывает распределение интенсивностей в дифракционной картине, которую при доступной раньше разрешающей способности электронного микроскопа было невозможно получить. В общем случае информация о том, как путешествует по кристаллу электронная волна (и с чем она внутри взаимодействует) была недоступна. Для получения этой информации австралийские ученые создали специальный электронный микроскоп с двумя линзами (идея в целом близкая к конфокальному сканирующему TEM).

Представленная в работе ученых установка позволяет в режиме реального времени показать характер взаимодействия электронного луча с атомами. Эта информация раньше могла быть получена только при помощи вычислительных экспериментов.

Источник