Німецькі фізики розробили новий просвічуючий іонний мікроскоп з поліпшеним алгоритмом отримання інформації про зображення. Це серйозний виклик найточнішим просвічуючим електронним мікроскопам.
Оптична мікроскопія впирається в дифракційну межу: у такий мікроскоп не можна побачити об'єкти, розмір яких менший, ніж так звана межа Аббе. Він визначається як відношення половини довжини хвилі світла у видимому діапазоні до показника заломлення середовища, помноженого на синус апертурного кута (максимального кута по відношенню до оптичної осі, під яким світло входить в об'єктив). Щоб розгледіти щось менше чверті мікрону (250 нм), потрібно використовувати додаткові хитрощі, наприклад, занурити зразок і об'єктив в олію. Навіть лінзи з великим апертурним кутом і мікроскопи з подвійним об'єктивом принципово обмежені величинами близько сотні нанометрів.
В електронній мікроскопії замість світла використовуються заряджені частинки, що допомагає значно знизити дифракційну межу. Електронний мікроскоп відкрив нам красу мікро- і нано-миру у всіх подробицях, і в наш час він перетворився на рутинний інструмент біологів, хіміків, фізиків і матеріалознавців. Розрізняють два види електронних мікроскопів: растровий і просвічуючий. Перший «сканує» поверхню пучком електронів з високою енергією (0.2-50 кЕв) і збирає так звані вторинні електрони, які пучок вибиває з поверхні зразка. Їх енергія істотно нижче, близько 50 еВ, і на основі від їх кількості і напрямку відтворюється топографія поверхні зразка. Аналіз відображених електронів, катодолюмінесценні та рентгенівських променів дає інформацію про хімічний склад і кристалічну структуру зразка. Растрова електронна мікроскопія (РЕМ) так само лежить в основі електронно-променевої літографії. Це ключовий процес у виготовленні транзисторів і наноструктур з роздільною здатністю і точністю в кілька десятків нанометрів. Просвічуючий електронний мікроскоп (ПЕМ) використовується для дослідження дуже тонких зразків (деякі з них вимагають ретельної і трудомісткої підготовки), і будує зображення на основі електронів, які пройшли крізь зразок. Специфіка електронної мікроскопії полягає в тому, що для хорошого зображення зразок повинен сам добре проводити електрони або ж бути покритим металевим напиленням. В іншому випадку наведений при опроміненні заряд накопичується в зразку і призводить до артефактів, що ускладнює вивчення біологічних об'єктів і непровідних полімерів.
Як альтернативу електронам у мікроскопії можна використовувати іони - важкі позитивно заряджені частинки. Щоб отримати позитивно заряджений іон, потрібно «відірвати» від електронейтрального атома хоча б один електрон. Для цього розплавлений метал збирається на кінчику голки з вольфраму, і за рахунок сильного електричного поля атоми іонізуються і відриваються від поверхні металу. Фокусований іонний промінь або пучок (ФІЛ) дозволяє отримати зображення непровідних зразків з роздільною здатністю до 5 нм, але цей метод руйнує поверхню: «рідні» атоми вибиваються іонами, які «встають» на їхнє місце. З іншого боку, такий іонний пучок іонний пучок добре підходить для високоточного «випалювання» наноструктур і додавання домішок у напівпровідники.
Джерела електронного та іонного випромінювання підпорядковуються статистиці Пуассона (розподіл, який описує ймовірність незв'язаних між собою подій у певний проміжок часу, при відомій середній інтенсивності цих подій). З цієї причини ставлення сигналу до шуму (ОСШ, ставлення потужності корисного сигналу до потужності шуму) оптимізується за рахунок тривалості опромінення або збільшеної інтенсивності пучка. Як згадувалося вище, це наводить додатковий заряд і руйнує зразки.
Георг Якоб і його колеги з університетів Майнца і Касселя в Німеччині підійшли до проблеми з несподіваного боку: вони створили детерміністське джерело іонного випромінювання, яке дозволяє отримати максимум корисної інформації з кожного іона, який потрапляє на зразок. В даному випадку принцип дії детерміністського джерела протиставляється звичайним джерелам, які покладаються на статистичний розподіл кількості характеристик іонів.
Мікроскоп, який зібрали німецькі вчені, показано на ілюстрації. Іони кальцію 40Ca + збираються в довготривалу пастку за рахунок градієнта електричного поля, створеного поздовжніми збірними пластинами з алюмінію. Градієнт коливається на радіочастоті, утримуючи заряджені частинки на місці. Потрапивши в пастку, іони охолоджуються за допомогою лазера. Частота його випромінювання трохи менша, ніж різниця між двома енергетичними рівнями іону, що відповідають випромінювальному переходу. Іони, які рухаються назустріч фотонам, «бачать» вищу частоту за рахунок ефекту Допплера (цей метод відомий як Допплерівське охолодження). У такому випадку вони поглинають фотон і переходять у збуджений стан. Після цього іони переіспускають фотон у випадковому напрямку. В результаті іон втрачає початковий напрямок руху і момент. Іншими словами, зменшується середня кінетична енергія іонів, а отже, і температура. ПЗС-камера поруч з пасткою вловлює перевипромінені фотони, що дозволяє оцінити кількість охолоджених іонів. Профіль пастки підлаштовується так, щоб вона утримувала суворо визначену кількість іонів. Напруга, що прискорює, знаходиться у фазі з коливаннями пастки, випускає іони, після чого вони проходять через серію коригуючих напрямок пучка електродів і електро-лінзу. Детектор збирає іони, що пройшли через зразок, після чого зображення будується з урахуванням точної кількості випущених іонів. Ефективність такого підходу показана на ризи.2, де порівнюються зображення, отримані за допомогою РЕМ, нового іонного мікроскопа і ФІЛ з Пуассоновим розподілом. Незважаючи на те, що кількість частинок, які потрапили в детектор, можна порівняти, якість зображення останнього сильно поступається новому методу.
Для оцінки можливостей нового мікроскопа вчені використовують алмазну пластину з отвором в 1 мікрон (1000 нм). Завдання вимірювання - визначити розмір і розташування центру отвору щодо іонного пучка. Спочатку був зроблений «контрольний» замір: за допомогою 1332 іонів отримано зображення зразка з радіусом отвору 1057 ^ 32 нм і точністю розташування його центру 20-40 нм (див. рис. 3).
Щоб збільшити ефективність збору інформації, реалізований так званий «Байєсов експериментальний підхід». Основна ідея полягає у використанні алгоритму оптимізації рішень в умовах невизначеності. За допомогою попередньо відомих параметрів вимірювань можна оптимізувати процес, використовуючи Байєсову оцінку рішення: вибирається попередня функція розподілу, яка уточнюється по мірі проведення експерименту таким чином, щоб максимізувати функцію корисності. Вимірювання параметризовано радіусом отвору і його положенням, а також відомими діаметром пучка іонів у фокусі (25 нм) і ефективністю детектора (95%). Для кожної «порції» іонів положення зразка коригується з урахуванням Байєсової оцінки. На рис. 3 показано покрокову корекцію оцінки положення центру отвору (сіра ламана лінія), попередню функцію розподілу Гаусової форми (Концентричний градієнт) і кінцевий результат (червона штрихова лінія). У результаті зображення цього отвору, зроблене за допомогою 379 іонів, дає результат 1004 2 нм і точність визначення позиції центру 2.7 нм. Це на порядок краще, ніж «контрольний» вимір!
Мінімальна кількість іонів, випущених «за зразком», істотно знижує артефакти, що виникають за рахунок наведення заряду і фізичного пошкодження. Фізики вже планують поліпшити установку за допомогою більш оперативного «підвантаження» іонів і більш надійного і стабільного комерційного іонного джерела. За їхніми оцінками, це дасть новому мікроскопу перевагу перед найточнішими мікроскопами просвічування. При реалізації пікосекундного контролю над іонами можна робити мікроскопію з тимчасовою роздільною здатністю, а оптичне накачування зробить іонне джерело повністю спін-поляризованим, що дозволить вимірювати магнітну поляризацію поверхні.
За матеріалами Phys.Rev.Letters