13.04.2022 - Tohoku University

Neue Methode für atomar auflösende Elektronenmikroskope

Durch Licht gebildete Elektronenlinse

Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie können Forscher winzige Objekte wie Viren, die feinen Strukturen von Halbleiterbauelementen und sogar die Anordnung von Atomen auf einer Materialoberfläche sichtbar machen. Die Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Größe eines Atoms ist für eine solch hohe räumliche Auflösung unerlässlich. Wenn der Elektronenstrahl jedoch eine elektrostatische oder magnetische Linse durchläuft, weisen die Elektronenstrahlen je nach Fokussierungswinkel unterschiedliche Brennpunktpositionen auf, und der Strahl breitet sich im Brennpunkt aus. Die Korrektur dieser "sphärischen Aberration" ist kostspielig und komplex, so dass nur wenige Wissenschaftler und Unternehmen über Elektronenmikroskope mit atomarer Auflösung verfügen.

Forscher der Tohoku-Universität haben eine neue Methode zur Herstellung einer Elektronenlinse vorgeschlagen, bei der ein Lichtfeld anstelle der bei herkömmlichen Elektronenlinsen verwendeten elektrostatischen und magnetischen Felder verwendet wird. Eine ponderomotorische Kraft bewirkt, dass die Elektronen, die sich im Lichtfeld bewegen, von Regionen mit hoher optischer Intensität abgestoßen werden. Unter Ausnutzung dieses Phänomens wird erwartet, dass ein koaxial zu einem Elektronenstrahl angeordneter Lichtstrahl in Form eines Doughnuts einen Linseneffekt auf den Elektronenstrahl ausübt.

Die Forscher untersuchten theoretisch die Eigenschaften der Lichtfeld-Elektronenlinse, die sich mit einem typischen doughnutförmigen Lichtstrahl - einem so genannten Bessel- oder Laguerre-Gauß-Strahl - bildet. Auf dieser Grundlage erhielten sie eine einfache Formel für die Brennweite und die sphärischen Aberrationskoeffizienten, die es ihnen ermöglichte, die für die Konstruktion der Elektronenlinse erforderlichen Leitparameter schnell zu bestimmen.

Die Formeln zeigten, dass die Lichtfeld-Elektronenlinse eine "negative" sphärische Aberration erzeugt, die der Aberration von elektrostatischen und magnetischen Elektronenlinsen entgegengesetzt ist. Die Kombination aus der herkömmlichen Elektronenlinse mit "positiver" sphärischer Aberration und einer Lichtfeld-Elektronenlinse, die die Aberration ausgleicht, reduziert die Größe der Elektronenstrahlen auf die atomare Skala. Dies bedeutet, dass die Lichtfeld-Elektronenlinse als Korrektor für sphärische Aberration verwendet werden kann.

"Die Lichtfeld-Elektronenlinse hat einzigartige Eigenschaften, die man bei herkömmlichen elektrostatischen und magnetischen Elektronenlinsen nicht findet", sagt Yuuki Uesugi, Assistenzprofessor am Institut für multidisziplinäre Forschung für fortgeschrittene Materialien an der Tohoku-Universität und Hauptautor der Studie. "Die Realisierung der lichtbasierten Aberrationskorrektur wird die Installationskosten für Elektronenmikroskope mit atomarer Auflösung erheblich senken, was zu einem weit verbreiteten Einsatz in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen führen wird", fügt Uesugi hinzu.

Mit Blick auf die Zukunft erforschen Uesugi und seine Kollegen Möglichkeiten für die praktische Anwendung von Elektronenmikroskopen der nächsten Generation unter Verwendung der Lichtfeld-Elektronenlinse.

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