Введение

Трансмиссионный электронно-аберрационно-корректированный микроскоп (TEAM) — это совместный исследовательский проект между четырьмя лабораториями США и двумя компаниями. Основная деятельность проекта — разработка и применение трансмиссионного электронного микроскопа (TEM) с пространственным разрешением менее 0,05 нанометра, что примерно вдвое меньше атома водорода.

Научная основа

Давно известно, что наилучшее достижимое пространственное разрешение оптического микроскопа, то есть наименьший размер объекта, который он способен различить, составляет величину порядка длины волны света λ, которая примерно равна 550 нм для зеленого света. Один из способов повышения этого разрешения – использование частиц с меньшей длиной волны, таких как электроны высокой энергии. Практические ограничения определяют оптимальную энергию электронов в диапазоне 100–300 кэВ, что соответствует длине волны λ = 3,7–2,0 пм. Разрешение электронных микроскопов ограничивается не длиной волны электронов, а внутренними дефектами электронных линз. Эти дефекты называются сферическими и хроматическими аберрациями из-за их аналогии с аберрациями в оптических линзах. Для уменьшения этих аберраций в микроскоп устанавливают набор специально разработанных вспомогательных "линз", называемых корректорами аберраций.

Оборудование

TEAM основан на коммерческом электронном микроскопе FEI Titan 80–300, который может работать при напряжениях от 80 до 300 кэВ как в режиме просвечивающей электронной микроскопии (TEM), так и в режиме сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM). Для минимизации механических вибраций микроскоп расположен в отдельной комнате внутри звукоизолирующего кожуха и управляется дистанционно. Источником электронов является полевая эмиссионная пушка типа Шоттки с относительно узким энергетическим разбросом в 0,8 эВ при 300 кэВ. Для уменьшения хроматических аберраций этот разброс дополнительно снижается до 0,13 эВ при 300 кэВ и 0,08 эВ при 80 кэВ с помощью монохроматора типа фильтра Вина.

Приложения

TEAM был протестирован на различных кристаллических твердых телах, позволяя визуализировать отдельные атомы в GaN ([211] ориентации), германии ([114]), золоте ([111]) и других материалах, и достигая пространственного разрешения менее 0,05 нм (около 0,045 нм). На изображениях графена – одиночного слоя графита – можно было наблюдать не только атомы, но и химические связи между ними. Внутри микроскопа была записана видеозапись, демонстрирующая перемещение отдельных атомов углерода вокруг отверстия в графеновом листе. Аналогичные изображения, с разрешением атомов углерода и связей между ними, были независимо получены для пентацена – плоской органической молекулы, состоящей из пяти углеродных колец – с использованием принципиально иной микроскопической техники, атомно-силовой микроскопии (AFM). В AFM атомы исследуются не электронами, а острым вибрирующим наконечником.