Новий електронний мікроскоп може “бачити” більше, ніж просто зображення

Електронний мікроскоп є одним з найпотужніших видів інструментів, використовуваних в самих різних областях науки і техніки.

А завдяки роботі вчених з Корнуельського університету, які створили принципово новий датчик EMPAD (electron microscope pixel array detector), електронний мікроскоп став ще більш потужним і універсальним інструментом. Адже цей датчик дозволяє не тільки отримувати високоякісні зображення , він дозволяє “вийняти” з потоку електронів багатшу інформацію, в якій містяться докладні дані про внутрішню структуру досліджуваного зразка.

“За допомогою нового датчика ми можемо витягти інформацію про внутрішніх напружених, про кутах нахилу і обертання атомів , полярності внутрішніх електричних і магнітних полів в матеріалі” – розповідає професор Девід Мюллер (David Muller), група якого, спільно з групою професора Сола грунерит (Sol Gruner), розробила і створила досвідчені зразки датчиків EMPAD.

У звичайному растровому електронному мікроскопі (scanning transmission electron microscope, STEM) сфокусований промінь електронів сканує лінія за лінією досліджуваний зразок. Датчик, встановлений знизу зразка, зчитує інтенсивність променя електронів, яка змінюється через взаємодію цих електронів з атомами матеріалу. І на основі цих даних комп’ютер становить зображення внутрішньої структури зразка.

Датчик EMPAD, який встановлюється на місце звичайного датчика, містить матрицю 128 на 128 квадратних пікселів, розміром 150 мікронів кожен. Ці пікселі з’єднані з електронною схемою, яка виконує попередню обробку сигналів. З цієї точки зору датчик EMPAD практично аналогічний датчикам цифрових камер. Але, крім інтенсивності потоку електронів, датчик EMPAD здатний реєструвати кут їх падіння на поверхню кожного пікселя. У цих даних “закопана” маса додаткової інформації, яка може бути отримана за допомогою технологій і алгоритмів, розроблених спочатку для установки рентгенівської кристалографії Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), за допомогою якої свого часу проводилися дослідження будови атома.

Комбінація сфокусованого особливим чином променя електронів з новим датчиком дозволяє дослідникам створювати чотирьох- і пятімерние “карти” інтенсивності, кута падіння, положення та імпульсу електронів, що пройшли через матеріал зразка. Подальша обробка отриманих даних дозволяють відтворити не тільки внутрішньо будова матеріалу до атомарного рівня , а й визначити всі сили, що виникають і діють всередині матеріалу. Це стає можливим завдяки високій швидкості роботи датчика і його неймовірною чутливості, яка дозволяє йому реєструвати як поодинокі електрони, так і потік, що складається з мільйонів електронів в одиницю часу.
Час отримання одного зображення датчиком EMPAD не перевищує однієї мілісекунди. “Цей датчик має в 1000 разів більший динамічний діапазон і в 100 разів більшу швидкість роботи, ніж традиційні датчики для електронних мікроскопів” – розповідає Девід Мюллер.

В даний час перший дослідний зразок датчика EMPAD проходить випробування в додатковому гнізді одного з найсучасніших електронних мікроскопів виробництва компанії FEI, який знаходиться в Центрі досліджень матеріалів (Center for Materials Research) Корнуельського університету. Крім цього, ліцензія на використання цієї технології вже передана компанії FEI, яка є одним з провідних світових виробників електронних мікроскопів, і фахівці якої доведуть цей винахід до рівня закінченого пристрою, який можна буде використовувати в нових мікроскопах і для модернізації вже існуючих електронних мікроскопів.