(Phys.org) -- Een eenvoudige nieuwe verbetering van een essentiële microscoopcomponent zou de beeldvorming aanzienlijk kunnen verbeteren voor onderzoekers die de zeer kleine, van cellen tot computerchips.

Joseph Lyding, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Illinois, leidde een groep die een nieuwe techniek voor het slijpen van microscoopsondes ontwikkelde. De techniek wordt beschreven in onderzoek dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Scanning probe microscopen leveren beelden van kleine structuren met een hoge resolutie op atomaire schaal. De punt van de sonde scheert over het oppervlak van een monster om mechanische, elektrische of chemische eigenschappen. Dergelijke microscopen worden veel gebruikt door onderzoekers die werken met kleine structuren op gebieden van nanotechnologie tot celbiologie.

Labs kunnen honderdduizenden dollars uitgeven aan een elegant instrument, bijvoorbeeld een scanning tunneling microscope (STM) of een atomic force microscope (AFM) - maar de kwaliteit van de gegevens hangt af van de sonde. Sondes kunnen bij gebruik snel verslechteren, verslijten en resolutie verliezen. In dergelijke gevallen, de onderzoeker moet dan de scan stoppen en de tip vervangen.

“Om het in perspectief te plaatsen, als je een dure raceauto had maar je fietsbanden erop zette, het zou niet zo'n goede auto zijn, ' zei Lyding.

Om tips vorm te geven, onderzoekers schieten een stroom ionen naar de punt. Het materiaal sputtert af als de ionen tegen de punt botsen, de sonde wegsnijden. Op een dag in het laboratorium, na weer een mislukte tip, Lyding had de eenvoudige, nieuw idee om een ​​bijpassende spanning op de punt aan te brengen om de binnenkomende ionen af ​​te buigen. Als er spanning op een scherp voorwerp wordt gezet, het elektrische veld wordt sterker naarmate het punt smaller wordt. Daarom, ionen die het scherpste deel van de geëlektrificeerde punt naderen, worden het meest afgebogen.

“Hierdoor verwijderen de ionen het materiaal rond dat scherpe deel, niet op het scherpe deel zelf, en dat maakt het scherper, ' zei Lyding. "Je behoudt het punt en je scherpt wat eromheen is."

Lyding en afgestudeerde student Scott Schmucker kochten een goedkoop ionenpistool en testten het idee van Lyding. Het werkte prachtig. STM-tips met een startradius van 100 nanometer werden geslepen tot een scherpe punt van 1 nanometer, met een extreem hoge resolutie. In aanvulling, het sputterproces werkt met elk elektrisch geleidend materiaal.

Maar zodra de sondes ultrascherp zijn, wat zorgt ervoor dat ze niet net zo snel verslijten als andere sondes? Lyding en Schmucker werkten vervolgens samen met U. of I. chemieprofessor Gregory Girolami en professor materiaalwetenschappen en techniek John Abelson, wiens groepen coatings hadden gedemonstreerd voor siliciumhalfgeleiders gemaakt van een materiaal genaamd hafniumdiboride. De coatings zijn 10 keer harder dan het metaal dat gewoonlijk wordt gebruikt om STM-tips te maken, maar zijn ook metaalachtig - de belangrijkste eigenschap voor het ionensputteringsproces.

De groep bracht de hafniumdiboride-coatings aan op hun sondes, sputterde ze verder, en ontdekte dat de resulterende sondes stabiel zijn, duurzaam en blinken uit in de soorten microscopie- en patroontoepassingen waarvoor dergelijke tips worden gebruikt.

“Niemand anders maakt sondes met de combinatie van scherpe, harde en metaalgeleiding, ' zei Lyding, die ook verbonden is aan het Beckman Institute for Advanced Science and Technology aan de U. of I. “Je kunt het een of het ander vinden, maar niet alle drie. Daar is een enorme vraag naar.”

De onderzoekers zijn nu bezig met het commercialiseren van hun taaie, scherpe sondes. Ze ontvingen een patent en begonnen een bedrijf genaamd Tiptek om met de productie te beginnen. Ze breiden ook hun slijptechniek uit met AFM-sondes en STM, en ontwikkelen batchverwerkingstechnieken voor een hogere doorvoer.

“Als mensen AFM-tips maken, maken ze die op wafels, honderden tips tegelijk, ' zei Lyding. "Met de methodologie die we aan het ontwikkelen zijn, kunnen we deze hele wafer als een eenheid verwerken, zodat alle 400 tips tegelijkertijd worden gedaan."

Het bureau voor marine-onderzoek, het Defense Advanced Research Project Agency en de National Science Foundation ondersteunden dit werk.