Νέα ηλεκτρονικά μικροσκόπια αναπτύχθηκαν στην IBM

Από σελίδα του PhysicsWeb, 8 Αυγούστου 2002

Ερευνητές στις ΗΠΑ χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να καταγράψουν λεπτομερείς εικόνες με διαστάσεις ενός ατόμου. Ο Philip Batson του Ερευνητικού Κέντρου της IBM  και οι Ondrej Krivanek, Niklas Dellby από τη Nion μια μικρή εταιρεία στο Kirkland της Πολιτείας της Washington, παρατήρησαν άτομα χρυσού πάνω σε υπόστρωμα άνθρακα χρησιμοποιώντας ειδικό software για να διορθώσουν την παραμόρφωση της εικόνας, που συμβαίνει στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Η εργασία τους μπορεί να έχει σπουδαίες εφαρμογές στη φυσική των στερεών καθώς και τη βιολογία, συμπεριλαμβανομένης και της δυνατότητας να λαμβάνουν εικόνες ατομικών 'ακαθαρσιών' στους ημιαγωγούς. (P Batson κλπ 2002 Nature 418 617).

Η ανάλυση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου είναι ανώτερη από αυτή του οπτικού μικροσκοπίου επειδή τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια έχουν ένα μήκος κύματος πολύ μικρότερο από του φωτός. Κοντά στο 1970 ο Albert Crewe του Πανεπιστημίου του Σικάγου και συνεργάτες του ανακάλυψαν το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγος, το οποίο κατασκευάζει μια εικόνα μέσω σάρωσης μιας δέσμης ηλεκτρονίων κατά μήκος ενός υλικού προς παρατήρηση και υπολογίζοντας κατόπιν τα ηλεκτρόνια που ανακλώνται και εκπέμπονται προς τα πίσω από το υλικό. Η ομάδα του Crewe κατάφερε με επιτυχία να απεικονίσει απλά άτομα ουρανίου με αυτή τη συσκευή.

Οι ερευνητές όμως έχουν από τότε βελτιώσει αυτή την τεχνική, αλλά η θόλωση ή η παραμόρφωση των μαγνητικών φακών περιόριζε την ανάλυση των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων περίπου έως και 50 φορές το μήκος κύματος των χρησιμοποιημένων ηλεκτρονίων. Για ηλεκτρόνια με ενέργειες μεταξύ 100 και 200 keV, αυτή η ανάλυση είναι περίπου 0.2 nm, που είναι ελαφρά μεγαλύτερη από την τυπική απόσταση μεταξύ των ατόμων.

Τώρα όμως ο Batson και οι συνεργάτες του έχουν μειώσει αυτή την ανάλυση σε λιγότερο από 0.1 nm χρησιμοποιώντας ηλεκτρόνια με ενέργειες 120 keV - ηλεκτρόνια με ενέργειες μεγαλύτερες από αυτό το όριο δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν επειδή θα καταστρέψουν το υλικό που μελετούν. Αυτό σημαίνει ότι η ανάλυση της ηλεκτρονιακής δέσμης είναι αρκετά ικανή να ανακαλύψει το περιβάλλον των μοναχικών ατόμων. Επίσης χρησιμοποιούν επιπλέον έναν πανίσχυρο ηλεκτρονικό υπολογιστή (για την απομάκρυνση της παραμόρφωσης των εικόνων) καθώς κι ένα σύστημα μαγνητικών φακών πάλι για τον ίδιο σκοπό.

Οι νέοι ημιαγωγοί περιλαμβάνουν στρώσεις ατόμων αγώγιμων και μη αγώγιμων υλικών, τόσο μικρά σε πάχος που σε ορισμένες περιπτώσεις περιλαμβάνουν στρώσεις των πέντε ατόμων. Οι αντοχές τέτοιων υλικών είναι τόσο μικρές που αν ένα άτομο βγει εκτός θέσης τότε ο ημιαγωγός θα τεθεί εκτός λειτουργίας. Η καινούρια τεχνολογία θα βοηθήσει εξαιρετικά στην ανάλυση και στην κατασκευή τέτοιων πολύπλοκων υλικών. 

"Αυτό το πλεονέκτημα σημαίνει ότι η ηλεκτρονική ακίδα είναι μικρότερη από τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων", λέει ο Batson. "Μπορούμε τώρα να παρατηρήσουμε μέσα στο κύριο μέρος του υλικού για να τοποθετήσουμε άτομα που μπορεί να βρίσκονται έξω από την θέση τους ή που μπορεί να είναι σε λάθος θέση".

Ο Batson και οι συνεργάτες του χρησιμοποιούν μια τηλεοπτική κάμερα για να εγγράψουν 'ηλεκτρονικές εικόνες' από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μέσω σάρωσης σήραγγος και να αναλύσουν αυτές τις εικόνες με ειδικό software προς ανάλυση και διόρθωση - την απόκλιση των φακών του οπτικού μικροσκοπίου. Χρησιμοποιώντας αυτή τη ρύθμιση τράβηξαν εικόνες ατόμων χρυσού πάνω σε υπόστρωμα άνθρακα, παρατηρώντας απλά άτομα και ομάδες ατόμων, ακίνητα ή σε κίνηση. Οι ερευνητές λένε πως αυτή η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση ξεχωριστών ατόμων από προσμίξεις στους ημιαγωγούς. Επίσης η δέσμη των ηλεκτρονίων που θα χρησιμοποιήσουν φθάνει μόλις τα 3 δισεκατομμυριοστά του χιλιοστού σε πάχος.

Λίγο νωρίτερα αυτό το έτος, ο Paul Voyles των Bell Labs και συνεργάτες του χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να παρατηρήσουν άτομα προσμίξεων, αλλά η ανάλυση του μικροσκοπίου τους - 0.16 nm - υπερέβαινε την απόσταση μεταξύ των ατόμων του δείγματος τους.

"Πιστεύουμε ότι η τεχνολογία της διόρθωσης της απόκλισης συνδυασμένη με την ενυπάρχουσα ισχύ του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης μέσω σήραγγος θα ανοίξει τον δρόμο για μικρότερα και εξυπνότερα όργανα απεικόνισης και ανάλυσης υλικών με ανάλυση κάτω από 0.1 nm,  όπως επίσης θα βοηθήσει πάρα πολύ και στην λήψη τρισδιάστατων φωτογραφιών", λέει ο Batson.