Extreem ultraviolet (EUV) licht in microscopie biedt het voordeel dat het een beeld met een hoge resolutie krijgt in combinatie met spectrale informatie over het bestudeerde object. Echter, omdat EUV-microscopie diffractie gebruikt in plaats van lenzen, beeldvorming met meer dan één golflengte is een uitdaging. Onderzoekers van ARCNL en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben een oplossing gevonden door een nieuwe klasse diffractieve optische elementen voor EUV-licht te ontwerpen. Hun resultaten bieden mogelijkheden om zowel de lichtbronnen als de optische elementen in EUV-microscopie te verbeteren, de weg vrijmaakt voor wijdverbreid gebruik van de techniek in de nanowetenschap. Op 25 januari publiceerden ze hun resultaten in het tijdschrift optiek .

EUV-microscopie vult de nis tussen beeldvorming met zichtbaar licht, die niet het detail op nanometerschaal biedt dat nodig is in nanowetenschap of biologische beeldvorming, en beeldvormingsmethoden zoals elektronenmicroscopie, dat geeft nog meer details, maar is soms ongeschikt omdat het cryogene koeling en zorgvuldige monstervoorbereiding vereist. Daarbovenop, vanwege de sterke interactie met materie, EUV-licht is erg handig voor spectroscopiemetingen die materiaaleigenschappen van een monster onthullen.

Echter, tafelblad EUV-microscopie brengt nog steeds enkele uitdagingen met zich mee. "Een zeer praktisch probleem bij het gebruik van EUV-licht voor beeldvormingsdoeleinden is dat bijna elk materiaal op aarde de meeste straling absorbeert. we kunnen geen lenzen gebruiken om EUV-licht te focussen, ", zegt ARCNL-groepsleider Stefan Witte. "Maar, we kunnen diffractie gebruiken. Als je licht door een object met spleten stuurt, het zal buigen. Als de sleuven op de juiste manier zijn gerangschikt, het is mogelijk om de straling te focussen, net zoals je zichtbaar licht zou focussen met een lens."

Zoneplaten in plaats van lenzen

EUV-licht kan worden gefocusseerd met een zogenaamde Fresnel-zoneplaat, een schijf met een cirkelvormig patroon van spleten die het licht verstrooit. Een inherente eigenschap van diffractie, echter, is dat de diffractiehoek afhankelijk is van de golflengte. Witte:"We gebruiken een coherente bron die een breed spectrum aan licht in het EUV-bereik bevat. Met een conventionele zoneplaat, dit resulteert in verschillende focuspunten voor elke golflengte in de bundel, maar we kunnen er maar één gebruiken zonder het monster te hoeven verplaatsen. Bovendien, het is onmogelijk om spectrale gegevens van een monster te verzamelen als je er maar één golflengte licht doorheen stuurt. De materiaaleigenschappen van het monster die we met EUV-spectroscopie konden onthullen, blijven dus verborgen."

Optimalisatie

Lars Loetgering en Kevin Liu, beide wetenschappers in Witte's groep, vond een enigszins contra-intuïtieve oplossing voor dit probleem. Terwijl een perfecte zoneplaat duidelijke focuspunten biedt, kleine fouten of onregelmatigheden in het cirkelvormige patroon van spleten zullen ervoor zorgen dat de focus in de richting van de bundel wordt uitgesmeerd. De onderzoekers realiseerden zich dat ze deze rommelige focus 'vegen' in hun voordeel konden gebruiken. "De focusuitstrijkjes worden ook verschoven voor elke golflengte in het spectrum, maar ze overlappen elkaar wel een beetje, ", zegt Witte. "We hebben een model gemaakt om de optimale zoneplaat te berekenen, waarbij een minimum aan onregelmatigheden - of entropie in de structuur - resulteert in een maximale overlap van de focusvegen. Met dat, we kunnen het meeste uit het beschikbare EUV-licht halen en ook profiteren van de spectrale gevoeligheid van EUV-beeldvorming door de gegevens van maximaal negen verschillende golflengten te verzamelen."

Spannende tijden in het verschiet

Witte en zijn team hebben hun 'imperfecte' zoneplaten zowel in simulaties als in experimenten getest en zijn enthousiast over de resultaten. "Dit nieuwe type diffractieve optische elementen baant niet alleen de weg naar wijdverbreid gebruik van tafelblad-EUV-microscopie, maar we kunnen het ook gebruiken om een ​​stap terug te doen en onze EUV-bronnen efficiënter te maken, zegt hij. "We zoeken de ideale combinatie van licht en diffractie, die kan verschillen afhankelijk van de informatie die u zoekt."

Witte verwacht dat de komende jaren cruciaal zullen zijn voor een breder gebruik van EUV-microscopie in de nanowetenschap; "de techniek wordt momenteel beperkt door de efficiëntie van de bronnen en de beperking tot straling met één golflengte. Er is nog veel werk aan de winkel, maar met onze aanpak verwacht ik dat we de techniek verder kunnen optimaliseren zodat deze gebruikt kan worden in metrologie of materiaalkunde. Bijvoorbeeld, onderzoekers die nu afhankelijk zijn van grote synchrotronfaciliteiten, kunnen hun experimenten in hun eigen lab doen met een tafelmodel EUV-microscoop."