El microscopio electrónico modificado identifica los átomos

Un nuevo microscopio electrónico instalado recientemente en Duffield Pasillo de Cornell está permitiendo a científicos por primera vez formar las imágenes que identifican únicamente los átomos individuales en un cristal y consideran cómo esos átomos enlazan a uno otro. Y en color vivo.

“El actual de microscopios electrónicos se puede pensar en como cámaras blancos y negros costosas donde diversos átomos aparecen como diversas cortinas del gris,” moleta explicada de David, profesor adjunto de Cornell de la física aplicada y de la ingeniería. “Este microscopio toma cuadros del color -- donde cada átomo coloreado representa una especie química únicamente identificada.”

El instrumento es un nuevo tipo de microscopio electrónico de la transmisión de la exploración (STEM), construido por los NION Company de Kirkland, Washington, bajo concesión del instrumento-desarrollo a Cornell del National Science Foundation (NSF). Juan Silcox, el profesor de las rebabas de David E. de dirigir en Cornell, y Ondrej Krivanek de NION es investigadores co-principales en el proyecto.

El microscopio incorpora la nueva tecnología de la aberración-corrección diseñada por Krivanek que se centre una viga de electrones en un punto más pequeño que un solo átomo -- más agudamente y con mayor intensidad que previamente posible. Esto permite la información ocultada previamente en el fondo, o el “ruido,” para ser visto. También proporciona hasta un aumento de cien veces en velocidad de la proyección de imagen.

Las capacidades del nuevo instrumento en analizar una muestra de la prueba son descritas en un artículo en la aplicación del 22 de febrero la ciencia del diario por Muller, Silcox, Krivanek y los colegas en Cornell y en Corea y Japón.

Permite que los científicos miren con fijeza dentro de un material o de un dispositivo y que vean cómo se junta en la escala atómica donde los efectos de quántum dominan y la intuición diaria falla. Uno de los usos más importantes del nuevo instrumento será conducir lo que llama Silcox la “patología de los materiales” para ayudar a investigadores en su desarrollo de nuevos materiales para utilizar en circuitos electrónicos, memorias de computadora y otros dispositivos del nanoscale. “Podemos mirar las estructuras que la gente ha construido y decirles si ella ha construido lo que ella pensó que ella hizo,” Silcox explicó.

UN VÁSTAGO tira un haz electrónico a través de una muestra thin-film y explora la viga a través de la muestra en pasos subatómicos. Además de formar una imagen, el nuevo microscopio puede identificar los átomos en su trayectoria por una espectrometría llamada de proceso de la energía-pérdida del electrón. Los átomos en la trayectoria de la viga absorben energía de algunos de sus electrones para golpear sus propios electrones con el pie en órbitas más altas. La cantidad de energía que ésta toma es diferente para cada clase de átomo.

El detector que recoge los electrones que emergen de la muestra mide las pérdidas de energía, y de esto los átomos en la trayectoria de la viga puede ser identificado. El detector puede producir simultáneamente imágenes múltiples -- uno para cada diversa especie de átomo en la muestra, y éstos puede ser color-coded, cada color que representa una diversa firma de la energía de electrón.

El método también puede demostrar cómo los átomos se enlazan a uno otro en un cristal, porque la vinculación crea pequeños cambios en las firmas de la energía. En VÁSTAGOS anteriores, muchos electrones de la viga, incluyendo ésos con energías cambiadas, fueron dispersados a los ángulos amplios por colisiones simples con los átomos. El nuevo VÁSTAGO incluye las lentes magnéticas que recogen electrones emergentes sobre un ángulo más amplio. , Silcox dijo, el cerca de 8 por ciento de los electrones emergentes fue recogido previamente, pero el nuevo detector recoge el cerca de 80 por ciento, permitiendo lecturas más exactas de los pequeños cambios en los niveles de energía que revelan la vinculación entre los átomos.

Una colección más completa y una viga más brillante y más agudamente enfocada también permiten que el nuevo microscopio explore mucho más rápidamente. En pruebas tempranas recogió una imagen de pixel 4.096 en cerca de 30 segundos, 50 a 100 veces más rápidamente que en vástagos convencionales.

Para demostrar la capacidad del nuevo instrumento, la moleta examinó capas que consistían en de una muestra de dos diversos materiales: óxido y estroncio-titanato del lantano-estroncio-manganeso. Esto fue hecha como parte de un proyecto de investigación en el cual él está colaborando con los científicos en Corea y Japón. “Es una estructura artificial que tendrá características magnéticas y eléctricas interesantes,” él dijo, “pero para que trabaje correctamente nos tenemos que hacer interfaces atómico agudos entre las capas. Es realmente importante saber si algunos átomos se escaparon a través del interfaz.”

En la imagen del color del nuevo VÁSTAGO, donde el manganeso aparece azul rojo y titanium, una línea de púrpura demuestra la mezcla en el borde entre las dos capas. “Hemos aprendido que hay sitio para la mejora,” la moleta decimos, agregando “esto no éramos nuestra mejor muestra, pero si hubiéramos puesto que uno en él habría sido bastante una imagen del taladro.”

El nuevo instrumento llegó Cornell en octubre, y todavía está experimentando la calibración y la prueba.

Los problemas que la proyección de imagen limitada del electrón fue identificada tan hace tiempo como 1935, Silcox dijo, y las ideas para superarlos fueron contorneados en 1947. Pero no estaba hasta muy recientemente ése que los obstáculos de la ingeniería a ponerlos en práctica fueron superados. En gran parte, él dijo, esto está porque el problema requirió la computación avanzada, incluyendo las computadoras para diseñar el instrumento, maquinaria controlada por ordenador para fabricar piezas a las tolerancias finas, y las computadoras para controlar el instrumento sí mismo.

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