Прорыв Argonne: рентгеновская нанотомография достигает беспрецедентного разрешения <10 нм

Историческая проблема: рентгеновские лучи не добирали до разрешения электронов

Долгое время было правдой: если вы хотите изучить движение и поведение отдельных атомов, электронная микроскопия даст вам то, чего не могут рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи хороши в проникновении в образцы — они позволяют увидеть, что происходит внутри батарей во время заряда и разряда, например — но исторически они не могли пространственно визуализировать с той же точностью, что электроны.

Нанотомография: неинвазивная 3D визуализация наномасштаба

Но ученые работают над улучшением разрешения рентгеновских техник. Один такой метод — рентгеновская томография, позволяющая неинвазивную визуализацию внутренности материалов. Если вы хотите отобразить извилистость микросхемы, например, или проследить нейроны в мозге без разрушения материала, который вы смотрите, вам нужна рентгеновская томография, и чем лучше разрешение, тем меньше феномены можно проследить рентгеновским лучом.

Argonne + APS + новые алгоритмы = разрешение <10 нм

С этой целью группа учёных во главе с Национальной лабораторией Аргонна Министерства энергетики США (DOE) создала новый метод для улучшения разрешения жёсткой рентгеновской нанотомографии. (Нанотомография — рентгеновская визуализация в нанометровом масштабе. Для сравнения, средний человеческий волосок — 100,000 нанометров шириной.) Команда построила высокоразрешающий рентгеновский микроскоп, используя мощные рентгеновские лучи Advanced Photon Source (APS) и создала новые компьютерные алгоритмы для компенсации проблем, встречающихся в крошечных масштабах. Используя этот метод, команда достигла разрешения ниже 10 нанометров. По словам исследователей, эта оптика и алгоритмы применимы к другим рентгеновским техникам тоже.

TXM на линии пучка 32-ID и коррекция дрифта/деформации

Используя внутренний Transmission X-ray Microscope (TXM) на линии пучка 32-ID APS — включая специальные линзы, изготовленные в Центре наномасштабных материалов (CNM) — команда смогла использовать уникальные характеристики рентгеновских лучей и достичь высокоразрешающих 3D изображений примерно за час. Но даже те изображения не были совсем на желаемом разрешении, поэтому команда придумала новый компьютерно-ориентированный метод для их дальнейшего улучшения.

Главные проблемы, которые команда стремилась исправить — дрифт образца и деформация. В этих малых масштабах, если образец движется внутри пучка даже на пару нанометров, или если рентгеновский луч вызывает даже малейшее изменение в самом образце, результатом будут артефакты движения на 3D изображении образца. Это может сделать последующий анализ намного более трудным.

Дрифт образца может быть вызван всеми видами вещей в таком малом масштабе, включая изменения температуры. Для выполнения томографии образцы также должны вращаться очень точно внутри пучка, и это может вести к ошибкам движения, выглядящим как дрифты образца в данных. Новый алгоритм Аргонна работает для устранения этих проблем, в результате давая более чистое и чёткое 3D изображение.

Тесты: пластина с 16-нм признаками и электрохимическое устройство

Команда тестировала своё оборудование и технику несколькими способами. Во-первых, они захватили 2D и 3D изображения крошечной пластины с 16-нм признаками, отфабрикованной Кенаном Ли, затем из Северо-Западного университета и сейчас в DOE SLAC Национальной ускорительной лаборатории. Они смогли визуализировать крошечные дефекты в структуре пластины. Затем они протестировали это на реальном электрохимическом устройстве хранения энергии, используя рентгеновские лучи для заглядывания внутрь и захвата высокоразрешающих изображений. Однако они чувствуют, что есть ещё место для улучшения этой техники.

Будущее: обновление APS до 500x ярче, цель — 8 нм и ниже

Возможности этого инструмента и техники улучшатся с продолжающимися НИОКР усилиями по оптике и детекторам и выиграют от в процессе обновления APS. Когда завершено, обновлённое оборудование будет генерировать высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые будут до 500 раз ярче текущих, и дальнейшие прогрессы в рентгеновской оптике позволят ещё более узкие лучи с более высоким разрешением. После обновления они будут давить на восемь нанометров и ниже, надеясь, что это станет мощным инструментом для исследований на всё меньших и меньших масштабах.