Met elektronenmicroscopie hebben wetenschappers individuele atomen kunnen zien, maar zelfs bij die resolutie is niet alles duidelijk.

De lenzen van elektronenmicroscopen hebben intrinsieke onvolkomenheden die bekend staan ​​als aberraties, en speciale aberratiecorrectors - "zoals een bril voor uw microscoop, " zei David Müller, de Samuel B. Eckert Professor of Engineering in het Department of Applied and Engineering Physics (AEP) - zijn in de loop der jaren ontwikkeld om deze defecten te corrigeren.

Aberratiecorrectors gaan maar zo ver, echter, en om meerdere aberraties te corrigeren, je hebt een steeds groter wordende verzamelaar van correctorelementen nodig. Het is alsof je een bril op een bril op een bril zet - het wordt een beetje onpraktisch.

Muller – samen met Sol Gruner, de John L. Wetherill hoogleraar natuurkunde, en Veit Elser, hoogleraar natuurkunde - hebben een methode ontwikkeld om ultrahoge resolutie te bereiken zonder dat er "corrigerende lenzen" voor hun microscoop nodig zijn.

Ze hebben hun door Cornell ontwikkelde elektronenmicroscoop-pixelarraydetector (EMPAD) gebruikt, die in maart 2017 werd geïntroduceerd. Hiermee hebben ze bereikt wat Muller, co-directeur van het Kavli Institute bij Cornell voor Nanoscale Science, Dit is een wereldrecord voor beeldresolutie – in dit geval met monolaag (één atoom dik) molybdeendisulfide (MoS2).

Hun prestatie wordt gerapporteerd in "Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution, " wordt op 19 juli gepubliceerd in Natuur . Co-hoofdauteurs waren Yi Jiang, doctoraat '18 (natuurkunde) en Zhen Chen, postdoctoraal onderzoeker bij de Muller Group.

Elektronengolflengten zijn vele malen kleiner dan die van zichtbaar licht, maar elektronenmicroscooplenzen zijn niet evenredig nauwkeurig.

Typisch, Müller zei, de resolutie van een elektronenmicroscoop is voor een groot deel afhankelijk van de numerieke apertuur van de lens. In een basiscamera, numerieke apertuur is het omgekeerde van het "f-getal" - hoe kleiner het getal, hoe beter de resolutie.

Bij een goede camera het laagste f-getal of "f-stop" kan iets onder de 2 zijn, maar "een elektronenmicroscoop heeft een f-getal van ongeveer 100, " zei Muller. Aberratiecorrectors kunnen dat aantal terugbrengen tot ongeveer 40, zei hij - nog steeds niet geweldig.

De beeldresolutie in elektronenmicroscopie is traditioneel verbeterd door zowel de numerieke apertuur van de lens als de energie van de elektronenstraal te vergroten, wat voor de microscoop doet wat licht doet voor een camera of een optische microscoop - verlicht het onderwerp.

Eerdere records voor resolutie werden bereikt met een aberratie-gecorrigeerde lens en superhoge bundelenergie - 300 kiloelektronvolt (keV) - om een ​​sub-ångström-resolutie te verkrijgen. Atomaire bindingen zijn over het algemeen tussen 1 en 2 ångströms (Å) lang - een ångström is 0,1 nanometer - dus sub-ångström-resolutie zou het mogelijk maken om individuele atomen gemakkelijk te zien. De Muller-groep wist een resolutie van 0,39 Å te halen – een nieuw wereldrecord – en tegen een lagere minder schadelijke bundelenergie waarbij de resolutie van de voor aberratie gecorrigeerde lenzen alleen 0,98 Å was.

De groep van Muller gebruikte de EMPAD en een techniek die bekend staat als ptychografie:terwijl de elektronenstraal het monster scant, de detector verzamelt zowel volledige positie- als momentumverdelingen van de verstrooide elektronen in overlappende stappen. Het beeld wordt gereconstrueerd uit de resulterende 4-dimensionale dataset.

De groep gebruikte een bundelenergie van slechts 80 keV om de MoS2 niet te vernietigen. Ondanks de dimlichtenergie, de resolutie met behulp van EMPAD is zo goed, de microscoop kan met verbazingwekkende helderheid een ontbrekend zwavelatoom detecteren - "een defect in het rooster, " zei Gruner - in een 2D-materiaal. "Dat is verbazingwekkend voor mij, " hij zei.

Met een resolutievermogen kleiner dan de kleinste atoombinding, een nieuw testobject voor de EMPAD-methode was nodig. Yimo Han, doctoraat '18, en Pratiti Deb '16, van de groep van Muller, gestapeld twee vellen MoS2, een blad enigszins scheef, zodat atomen van de twee vellen zichtbaar waren op afstanden variërend van een volledige bindingslengte uit elkaar tot liggend op elkaar. "Het is in wezen 's werelds kleinste heerser, ’ zei Grüner.

de EMPAD, die achteraf is aangebracht op microscopen over de hele campus, kan een breed scala aan intensiteiten registreren - van het detecteren van een enkel elektron tot intense stralen die honderdduizenden of zelfs een miljoen elektronen bevatten.

"De analogie die ik graag gebruik is, er komt 's nachts een auto op je af, "Zei Gruner. "En je kijkt naar de lichten die op je afkomen, en je kunt de kentekenplaat ertussen lezen zonder verblind te worden."