Наноскейпті зерттеу үшін жоғары ажыратымдылықтағы рентгендік зонд
X-ray nanoprobe
Аргонн ұлттық зертханасы нанобөлшектерді зерттеу үшін әлемдегі ең жоғары ажыратымдылыққа ие рентген микроскопын ұсынады. Наноматериалдарды талдауға көмектеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Наноматериалдар орталығындағы (CNM), Аргонн ұлттық зертханасындағы қатты рентгендік нанозонд әлемдегі ең жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы бар қатты рентгендік микроскопиялық сәулелену желісін ұсыну арқылы бұл саланың деңгейін көтерді. Ол флуоресценциялық, дифракциялық және беріліс түріндегі бейнелеуді қатты рентген сәулелерімен 30 нм немесе одан да жоғары кеңістіктік ажыратымдылықпен жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл мүмкіндіктердің негізін арнайы сәуле көзі, сәулелену желісі және оптика құрайды. Бұл бірегей құрал КНМ-нің нақты зерттеу салалары үшін ғана емес, сонымен қатар наноғылым қауымдастығы үшін де пайдалы болады, ол наноматериалдар мен наноқұрылымдарды, әсіресе енгізілген құрылымдарды зерттеуге қолжетімді етеді. Бір құралда дифракция, флуоресценция және беріліс контрастының үйлесімі наноғылым үшін бірегей сипаттау мүмкіндіктерін ұсынады. Френель аймақтық пластиналарының оптикасына негізделген қазіргі қатты рентгендік микрозондтар 8-10 кэВ фотон энергиясында 150 нм кеңістіктік ажыратымдылықты көрсеткен. Аймақтық пластина оптикасын жасаудағы жетістіктер, оңтайландырылған сәулелену желісінің дизайнымен үйлесімде, өнімділік мақсатын 30 нм кеңістіктік ажыратымдылық деңгейіне жеткізуге бағытталған. Нанозонд 3-30 кэВ спектрлік диапазонын қамтиды, ал фокустау оптикасы мен сынама арасындағы жұмыс арақашықтығы әдетте 10-20 мм аралығында болады.
The hard X ray nanoprobe at the Center for Nanoscale Materials (CNM), Argonne National Lab advanced the state of the art by providing a hard X ray microscopy beamline with the highest spatial resolution in the world. It provides for fluorescence, diffraction, and transmission imaging with hard X rays at a spatial resolution of 30 nm or better. A dedicated source, beamline, and optics form the basis for these capabilities. This unique instrument is not only key to the specific research areas of the CNM; it will also be a general utility, available to the broader nanoscience community in studying nanomaterials and nanostructures, particularly for embedded structures. The combination of diffraction, fluorescence, and transmission contrast in a single tool provides unique characterization capabilities for nanoscience. Current hard X ray microprobes based on Fresnel zone plate optics have demonstrated a spatial resolution of 150 nm at a photon energy of 8 10 keV. With advances in the fabrication of zone plate optics, coupled with an optimized beamline design, the performance goal is a spatial resolution of 30 nm. The nanoprobe covers the spectral range of 3 30 keV, and the working distance between the focusing optics and the sample are typically in the range of 10–20 mm.
Жұмыс істеу тәсілдері
Жүгірту. Бұл режимде үлгі арқылы рентген сәулесінің әлсіреуі немесе фазалық ығысуы өлшенуі мүмкін. Үлгінің тығыздығын карталау үшін сіңіру контрасты қолданылуы мүмкін. Белгілі бір элементтік құрамдастарды сіңіру шегінің екі жағындағы өлшемдер арқылы анықтауға болады, бұл орташа сезімталдықпен элементке тән айырмашылық суретін береді. Фазалық контрастты бейнелеу сіңіруі төмен болған кезде де ішкі құрылымға сезімтал болуы мүмкін және рентген сәулесінің энергиясын реттеу арқылы күшейтілуі мүмкін. Дифракция. Үлгіден шағылысқан рентген сәулелерін өлшеу арқылы кристалдық фаза, кернеу және текстура сияқты жергілікті құрылымдық ақпаратты стандартты электрондық дифракцияға қарағанда 100 есе жоғары дәлдікпен алуға болады. Флуоресценция. Рентген сәулесімен туындаған флуоресценция үлгідегі жеке элементтердің кеңістіктегі таралуын ашады. Рентгендік зондтың сезімталдығы электрондық зондқа қарағанда 1000 есе жоғары болғандықтан, флуоресценция әдісі сандық микроэлементтік талдау үшін қуатты құрал болып табылады, бұл екінші фазалық бөлшектер, ақаулар және интерфейстік бөліну сияқты материалдың қасиеттерін түсіну үшін маңызды. Спектроскопия. Спектроскопия режимінде негізгі рентген сәулесінің энергиясы элементтің сіңіру шегі бойынша сканерленеді, оның химиялық күйі (XANES) немесе жергілікті ортасы (EXAFS) туралы ақпарат береді, бұл ретсіз үлгілерді зерттеуге мүмкіндік береді. Поляризация. Сызықтық және дөңгелек поляризацияланған рентген сәулелері қол жетімді болады. Поляризацияға байланысты контраст флуоресценция және дифракция сигналдарын ажырату үшін және сызықтық және дөңгелек дихроизм және магниттік дифракция сияқты әдістерді қолдану арқылы магниттік домен құрылымын бейнелеу үшін құнды. Томография. Рентгендік томографияда осы режимдердің бірі үлгіні айналдырумен біріктіріліп, үлгінің ішкі үш өлшемді құрылымын қайта құру үшін қолданылатын екі өлшемді проекциялық суреттер сериясын жасайды. Бұл күрделі наноқұрылымдардың морфологиясын бақылау үшін ерекше маңызды. Қорытындылай айтқанда, қатты рентгендік нанозонд инвазивті емес және сандық, минималды үлгі дайындығын қажет ететін, субоптикалық кеңістіктік ажыратымдылықты қамтамасыз ететін, үлгінің ішінде тереңдей алатын және оның ішкі құрылымын зерттей алатын, сондай-ақ процестерді орнында зерттеу мүмкіндігін ұсынатын артықшылықтарға ие. Зарядталған бөлшектердің зондтарынан тағы бір маңызды айырмашылық - рентген сәулелері қолданылатын электр немесе магнит өрістерімен өзара әрекеттеспейді, бұл далалық зерттеулер үшін артықшылық болып табылады. Нанозонд сәуле желісінің дизайны осы әлеуетті артықшылықтарды сақтауға бағытталған.
Transmission. In this mode, either attenuation or phase shift of the X ray beam by the sample can be measured. Absorption contrast can be used to map the sample’s density. Particular elemental constituents can be located using measurements on each side of an absorption edge to give an element specific difference image with moderate sensitivity. Phase contrast imaging can be sensitive to internal structure even when absorption is low and can be enhanced by tuning the X ray energy. Diffraction. By measuring X rays diffracted from the sample, one can obtain local structural information, such as crystallographic phase, strain, and texture, with an accuracy 100 times higher than with standard electron diffraction. Fluorescence. Induced X ray fluorescence reveals the spatial distribution of individual elements in a sample. Because an X ray probe offers 1,000 times higher sensitivity than electron probes, the fluorescence technique is a powerful tool for quantitative trace element analysis, important for understanding material properties such as second phase particles, defects, and interfacial segregation. Spectroscopy. In spectroscopy mode, the primary X ray beam’s energy is scanned across the absorption edge of an element, providing information on its chemical state (XANES) or its local environment (EXAFS), which allows the study of disordered samples. Polarization. Both linearly and circularly polarized X rays will be available. Contrast due to polarization is invaluable in distinguishing fluorescence and diffraction signals and imaging magnetic domain structure by using techniques such as linear and circular dichroism and magnetic diffraction. Tomography. In X ray tomography, one of these modes is combined with sample rotation to produce a series of two dimensional projection images, to be used for reconstructing the sample’s internal three dimensional structure. This will be particularly important for observing the morphology of complex nanostructures. In summary, a hard X ray nanoprobe provides advantages such as being noninvasive and quantitative, requiring minimal sample preparation, giving sub optical spatial resolution, having the ability to penetrate inside a sample and study its internal structure, and having enhanced ability to study processes in situ. Another important distinction from charged particle probes is that X rays do not interact with applied electric or magnetic fields, which is an advantage for in field studies. The design of the nanoprobe beamline aims to preserve these potential advantages.