Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión - Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope
El microscopio con corrección de aberraciones electrónicas de transmisión ( TEAM ) es un proyecto de investigación en colaboración entre cuatro laboratorios estadounidenses y dos empresas. La actividad principal del proyecto es el diseño y aplicación de un microscopio electrónico de transmisión (TEM) con una resolución espacial inferior a 0,05 nanómetros , que es aproximadamente la mitad del tamaño de un átomo de hidrógeno .
El proyecto se basa en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California y consiste en el Argonne National Laboratory , Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign , así como la FEI empresas y directores generales, y es apoyado por el Departamento de Energía de Estados Unidos . El proyecto se inició en 2004; el microscopio operacional fue construido en 2008 y alcanzó el objetivo de resolución de 0.05 nm en 2009. El microscopio es una instalación compartida disponible para usuarios externos.
Antecedentes científicos
Se sabe desde hace mucho tiempo que la mejor resolución espacial alcanzable de un microscopio óptico, que es la característica más pequeña que puede observar, es del orden de la longitud de onda de la luz λ, que es de aproximadamente 550 nm para la luz verde. Una ruta para mejorar esta resolución es usar partículas con λ más pequeñas, como electrones de alta energía. Las limitaciones prácticas establecen una energía electrónica conveniente en 100–300 keV que corresponde a λ = 3.7–2.0 pm . La resolución de los microscopios electrónicos está limitada no por la longitud de onda del electrón, sino por las imperfecciones intrínsecas de las lentes de los electrones. Estos se conocen como aberraciones esféricas y cromáticas debido a su similitud con las aberraciones en las lentes ópticas. Esas aberraciones se reducen instalando en un microscopio un conjunto de "lentes" auxiliares especialmente diseñados que se denominan correctores de aberraciones.
Hardware
El TEAM se basa en un microscopio electrónico comercial FEI Titan 80–300, que puede funcionar a voltajes entre 80 y 300 keV, tanto en el modo TEM como en el de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). Para minimizar las vibraciones mecánicas, el microscopio está ubicado en una habitación separada dentro de un recinto insonorizado y se opera de forma remota. La fuente de electrones es una pistola de emisión de campo tipo Schottky con una dispersión de energía relativamente baja de 0,8 eV a 300 keV. Para reducir las aberraciones cromáticas, esta dispersión se reduce aún más a 0,13 eV a 300 keV y 0,08 eV a 80 kV utilizando un monocromador de tipo filtro Wien . Tanto la lente de iluminación, que se encuentra por encima de la muestra y se llama convencionalmente lente condensadora , como la lente de recolección (llamada lente objetivo ) están equipadas con correctores de aberración esférica de quinto orden. Los electrones son más energía filtrada por un filtro GIF y detectados por una cámara CCD . El filtro permite seleccionar electrones dispersos por elementos químicos específicos y así identificar átomos individuales en la muestra que se está estudiando.
Aplicaciones
El TEAM ha sido probado en varios sólidos cristalinos, resolviendo átomos individuales en GaN ( orientación [211] ), germanio ([114]), oro ([111]) y otros, y alcanzando una resolución espacial por debajo de 0.05 nm (aproximadamente 0.045 nm ). En las imágenes de grafeno -una sola hoja de grafito -no sólo los átomos, pero también se pudieron observar los enlaces químicos. Se ha grabado una película dentro del microscopio que muestra el salto de átomos de carbono individuales alrededor de un agujero perforado en una hoja de grafeno. Imágenes similares, que resuelven los átomos de carbono y los enlaces entre ellos, se han producido de forma independiente para el pentaceno, una molécula orgánica plana que consta de cinco anillos de carbono, utilizando una técnica de microscopía muy diferente, la microscopía de fuerza atómica (AFM). En AFM, los átomos no son sondeados por electrones, sino por una punta vibrante aguda.