La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución es un modo de obtención de imágenes de microscopios electrónicos de transmisión especializados que permite obtener imágenes directas de la estructura atómica de las muestras. [1] [2] Es una poderosa herramienta para estudiar propiedades de materiales a escala atómica, como semiconductores, metales, nanopartículas y sp 2-carbono enlazado (p. ej., grafeno, nanotubos de C). Si bien este término también se usa a menudo para referirse a la microscopía electrónica de transmisión de barrido de alta resolución, principalmente en el modo de campo oscuro anular de alto ángulo, este artículo describe principalmente la imagen de un objeto registrando la distribución de amplitud de onda espacial bidimensional en el plano de la imagen. en analogía con un microscopio óptico "clásico". Para la desambiguación, la técnica también se conoce como microscopía electrónica de transmisión de contraste de fase. En la actualidad, la resolución de punto más alta obtenida en microscopía electrónica de transmisión de contraste de fase es de alrededor de 0,5 ångströms (0,050 nm ). [3] A estas pequeñas escalas, los átomos individuales de un cristal y sus defectosse puede resolver. Para cristales tridimensionales, puede ser necesario combinar varias vistas, tomadas desde diferentes ángulos, en un mapa 3D. Esta técnica se llama cristalografía electrónica .
Una de las dificultades con la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución es que la formación de imágenes se basa en el contraste de fase. En las imágenes de contraste de fase , el contraste no se puede interpretar intuitivamente, ya que la imagen está influenciada por aberraciones de las lentes de imagen en el microscopio. Las mayores contribuciones de los instrumentos sin corregir normalmente provienen del desenfoque y el astigmatismo. Este último puede estimarse a partir del llamado patrón de anillo de Thon que aparece en el módulo de transformada de Fourier de una imagen de una película amorfa delgada.
Contraste e interpretación de la imagen
El contraste de una imagen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución surge de la interferencia en el plano de la imagen de la onda electrónica consigo misma. Debido a nuestra incapacidad para registrar la fase de una onda de electrones, solo se registra la amplitud en el plano de la imagen. Sin embargo, una gran parte de la información de estructura de la muestra está contenida en la fase de la onda de electrones. Para detectarlo, las aberraciones del microscopio (como el desenfoque) deben ajustarse de manera que convierta la fase de la onda en el plano de salida de la muestra en amplitudes en el plano de la imagen.
La interacción de la onda electrónica con la estructura cristalográfica de la muestra es compleja, pero se puede obtener fácilmente una idea cualitativa de la interacción. Cada electrón de imágenes interactúa de forma independiente con la muestra. Por encima de la muestra, la onda de un electrón puede aproximarse como una onda plana incidente en la superficie de la muestra. A medida que penetra en la muestra, es atraído por los potenciales atómicos positivos de los núcleos de los átomos y los canales a lo largo de las columnas de átomos de la red cristalográfica (modelo de estado s [4] ). Al mismo tiempo, la interacción entre la onda de electrones en diferentes columnas de átomos conduce a la difracción de Bragg . La descripción exacta de la dispersión dinámica de electrones en una muestra que no satisface la aproximación del objeto de fase débil , que son casi todas las muestras reales, sigue siendo el santo grial de la microscopía electrónica. Sin embargo, la física de la dispersión de electrones y la formación de imágenes de microscopio electrónico son suficientemente conocidas para permitir una simulación precisa de las imágenes de microscopio electrónico. [5]
Como resultado de la interacción con una muestra cristalina, la onda de salida de electrones justo debajo de la muestra φ e ( x , u ) en función de la coordenada espacial x es una superposición de una onda plana y una multitud de haces difractados con diferentes en frecuencias espaciales planas u (las frecuencias espaciales corresponden a ángulos de dispersión, o distancias de rayos desde el eje óptico en un plano de difracción). El cambio de fase φ e ( x , u ) en relación con los picos de onda incidente en la ubicación de las columnas de átomos. La onda de salida pasa ahora a través del sistema de imágenes del microscopio donde sufre un cambio de fase adicional e interfiere como la onda de la imagen en el plano de imagen (principalmente un detector de píxeles digitales como una cámara CCD). Es importante darse cuenta de que la imagen grabada NO es una representación directa de la estructura cristalográfica de las muestras. Por ejemplo, la alta intensidad podría indicar o no la presencia de una columna de átomo en esa ubicación precisa (ver simulación). La relación entre la onda de salida y la onda de la imagen es muy no lineal y es una función de las aberraciones del microscopio. Se describe mediante la función de transferencia de contraste .
La función de transferencia de contraste de fase
La función de transferencia de contraste de fase es una función de limitar las aperturas y aberraciones en las lentes de imagen de un microscopio. Describe su efecto sobre la fase de la onda de salida φ e ( x , u ) y lo propaga a la onda de la imagen. Siguiendo a Williams y Carter , [6] si nosotros [ ¿quién? ] suponga que la aproximación del objeto de fase débil se mantiene (muestra delgada), la función de transferencia de contraste se convierte en
donde A ( u ) es la función de apertura , E ( u ) describe la atenuación de la onda para una frecuencia espacial más alta u , también llamada función envolvente . χ ( u ) es una función de las aberraciones del sistema óptico de electrones.
El último término sinusoidal de la función de transferencia de contraste determinará el signo con el que los componentes de la frecuencia u entrarán en contraste en la imagen final. Si se tiene en cuenta solo la aberración esférica de tercer orden y el desenfoque, χ es rotacionalmente simétrico con respecto al eje óptico del microscopio y, por lo tanto, solo depende del módulo u = | u |, dado por
donde C s es el coeficiente de aberración esférica, λ es la longitud de onda del electrón y Δ f es el desenfoque. En microscopía electrónica de transmisión, el desenfoque se puede controlar y medir fácilmente con alta precisión. Por tanto, se puede alterar fácilmente la forma de la función de transferencia de contraste desenfocando la muestra. A diferencia de las aplicaciones ópticas, el desenfoque puede aumentar la precisión y la interpretabilidad de las micrografías.
La función de apertura corta los haces dispersos por encima de un cierto ángulo crítico (dado por la pieza polar del objetivo, por ejemplo), limitando así efectivamente la resolución alcanzable. Sin embargo, es la función de envolvente E ( u ) la que normalmente amortigua la señal de los haces dispersos en ángulos elevados e impone un máximo a la frecuencia espacial transmitida. Este máximo determina la resolución más alta que se puede alcanzar con un microscopio y se conoce como límite de información. E ( u ) se puede describir como un producto de sobres individuales:
debido a
- E s ( u ) : dispersión angular de la fuente
- E c ( u ) : aberración cromática
- E d ( u ) : deriva de la muestra
- E v ( u ) : vibración de la muestra
- E D ( u ) : detector
La deriva y la vibración de la muestra se pueden minimizar en un entorno estable. Suele ser la aberración esférica C s la que limita la coherencia espacial y define E s ( u ) y la aberración cromática C c , junto con las inestabilidades de corriente y tensión que definen la coherencia temporal en E c ( u ) . Estas dos envolventes determinan el límite de información amortiguando la transferencia de señal en el espacio de Fourier con una frecuencia espacial creciente u
donde α es el semiángulo del lápiz de rayos que ilumina la muestra. Claramente, si la aberración de onda ('aquí representada por C s y Δ f ) desapareciera, esta función de envolvente sería constante. En el caso de un microscopio electrónico de transmisión sin corregir con C s fijo , la amortiguación debida a esta función de envolvente se puede minimizar optimizando el desenfoque en el que se graba la imagen (desenfoque de Lichte).
La función de envolvente temporal se puede expresar como
- .
Aquí, δ es la extensión focal con la aberración cromática C c como parámetro:
Los términos y representan inestabilidades de la corriente total en las lentes magnéticas y el voltaje de aceleración. es la propagación de energía de los electrones emitidos por la fuente.
El límite de información de los microscopios electrónicos de transmisión de última generación está muy por debajo de 1 Å. El proyecto TEAM en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley dio como resultado el primer microscopio electrónico de transmisión en alcanzar un límite de información de <0,5 Å en 2009 [7] mediante el uso de un entorno mecánico y eléctrico altamente estable, una fuente de electrones monocromática ultrabrillante y Correctores de aberraciones de doble hexapolar .
Desenfoque óptimo en microscopía electrónica de transmisión de alta resolución
La elección del desenfoque óptimo es crucial para aprovechar al máximo las capacidades de un microscopio electrónico en el modo de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Sin embargo, no hay una respuesta simple sobre cuál es el mejor.
En el enfoque gaussiano, uno establece el desenfoque en cero, la muestra está enfocada. Como consecuencia, el contraste en el plano de la imagen obtiene sus componentes de imagen del área mínima de la muestra, el contraste se localiza (no hay borrosidad y la información se superpone de otras partes de la muestra). La función de transferencia de contraste se convierte en una función que oscila rápidamente con C s u 4 . Esto significa que para ciertos haces difractados con una frecuencia espacial u, la contribución al contraste en la imagen grabada se invertirá, dificultando así la interpretación de la imagen.
Desenfoque Scherzer
En el desenfoque de Scherzer, uno apunta a contrarrestar el término en u 4 con el término parabólico Δ fu 2 de χ ( u ). Por lo tanto, al elegir el valor de desenfoque correcto Δf, se aplana χ ( u ) y se crea una banda ancha donde las frecuencias espaciales bajas u se transfieren a la intensidad de la imagen con una fase similar. En 1949, Scherzer descubrió que el desenfoque óptimo depende de las propiedades del microscopio como la aberración esférica C s y el voltaje de aceleración (a través de λ ) de la siguiente manera:
donde el factor 1.2 define el desenfoque de Scherzer extendido. Para el CM300 en NCEM , C s = 0,6 mm y un voltaje de aceleración de 300 keV ( λ = 1,97 pm) ( cálculo de longitud de onda ) dan como resultado Δf Scherzer = -41,25 nm .
La resolución puntual de un microscopio se define como la frecuencia espacial u res donde la función de transferencia de contraste cruza la abscisa por primera vez. En el desenfoque Scherzer, este valor se maximiza:
que corresponde a 6.1 nm −1 en el CM300. Las contribuciones con una frecuencia espacial superior a la resolución del punto se pueden filtrar con una apertura adecuada, lo que genera imágenes fácilmente interpretables a costa de una gran pérdida de información.
Desenfoque de Gabor
El desenfoque de Gabor se utiliza en la holografía electrónica donde se registran tanto la amplitud como la fase de la onda de la imagen. Por lo tanto, se desea minimizar la diafonía entre los dos. El desenfoque de Gabor se puede expresar en función del desenfoque de Scherzer como
Desenfoque de Lichte
Para aprovechar todos los rayos transmitidos a través del microscopio hasta el límite de información, se recurre a un método complejo llamado reconstrucción de onda de salida que consiste en revertir matemáticamente el efecto de la función de transferencia de contraste para recuperar la onda de salida original φ e ( x , u ) . Para maximizar el rendimiento de la información, Hannes Lichte propuso en 1991 un desenfoque de naturaleza fundamentalmente diferente al desenfoque de Scherzer: debido a que la amortiguación de la función envolvente escala con la primera derivada de χ (u) , Lichte propuso un enfoque que minimiza el módulo de d χ ( u ) / d u [8]
donde u max es la frecuencia espacial máxima transmitida. Para el CM300 con un límite de información de 0,8 Å, el desenfoque de Lichte se encuentra en -272 nm.
Reconstrucción de onda de salida
Para calcular de nuevo a φ e ( x , u ), la onda en el plano de la imagen se propaga de nuevo numéricamente a la muestra. Si se conocen bien todas las propiedades del microscopio, es posible recuperar la onda de salida real con una precisión muy alta.
Sin embargo, primero deben medirse tanto la fase como la amplitud de la onda de electrones en el plano de la imagen. Como nuestros instrumentos solo registran amplitudes, se debe utilizar un método alternativo para recuperar la fase. Actualmente se utilizan dos métodos:
- La holografía , que fue desarrollada por Gabor expresamente para aplicaciones de microscopía electrónica de transmisión, utiliza un prisma para dividir el haz en un haz de referencia y un segundo que pasa a través de la muestra. Los cambios de fase entre los dos se traducen luego en pequeños cambios del patrón de interferencia, lo que permite recuperar tanto la fase como la amplitud de la onda de interferencia.
- Mediante el método de serie focal se aprovecha el hecho de que la función de transferencia de contraste depende del enfoque. Se toma una serie de aproximadamente 20 imágenes en las mismas condiciones de imagen, con la excepción del enfoque, que se incrementa entre cada toma. Junto con el conocimiento exacto de la función de transferencia de contraste, la serie permite calcular φ e ( x , u ) (ver figura).
Ambos métodos extienden la resolución puntual del microscopio más allá del límite de información, que es la resolución más alta posible que se puede lograr en una máquina determinada. El valor de desenfoque ideal para este tipo de imágenes se conoce como desenfoque de Lichte y suele ser varios cientos de nanómetros negativos.
Ver también
- Deposición inducida por haz de electrones
- Difracción de electrones
- Espectroscopía de pérdida de energía electrónica (EELS)
- Microscopio electrónico
- Microscopía electrónica de transmisión de energía filtrada
- Microscopía electrónica confocal de barrido
- Microscópio electrónico escaneando
- Microscopio electrónico de transmisión de barrido
- Efecto Talbot
- Microscopio con corrección de aberraciones electrónicas de transmisión
- Microscopio de transmisión por electrones
Artículos
- Revisión temática "Óptica de microscopios electrónicos de alto rendimiento" Sci. Technol. Adv. Mater. 9 (2008) 014107 (30 páginas) descarga gratuita
- CTF Explorer de Max V. Sidorov, programa gratuito para calcular la función de transferencia de contraste
- Resumen de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución
Notas al pie
- ^ Spence, John C. H (1988) [1980]. Microscopía electrónica experimental de alta resolución . Nueva York: Oxford U. Press. ISBN 978-0-19-505405-7.
- ^ Spence, JCH ; et al. (2006). "Núcleos de dislocación de imágenes: el camino a seguir". Phil. Mag . 86 (29–31): 4781–4796. Código Bib : 2006PMag ... 86.4781S . doi : 10.1080 / 14786430600776322 .
- ^ C. Kisielowski; B. Freitag; M. Bischoff; H. van Lin; S. Lazar; G. Knippels; P. Tiemeijer; M. van der Stam; S. von Harrach; M. Stekelenburg; M. Haider; H. Muller; P. Hartel; B. Kabius; D. Miller; I. Petrov; E. Olson; T. Donchev; EA Kenik; A. Lupini; J. Bentley; S. Pennycook; AM Minor; AK Schmid; T. Duden; V. Radmilovic; Q. Ramasse; R. Erni; M. Watanabe; E. Stach; P. Denes; U. Dahmen (2008). "Detección de átomos individuales y defectos enterrados en tres dimensiones mediante microscopía electrónica con corrección de aberraciones con límite de información de 0,5 Å". Microscopía y Microanálisis . 14 (5): 469–477. Código bibliográfico : 2008MiMic..14..469K . doi : 10.1017 / S1431927608080902 . PMID 18793491 .
- ^ Geuens, P; van Dyck, D (diciembre de 2002). "El modelo S-state: un caballo de batalla para HRTEM". Ultramicroscopía . 3–4 (3–4): 179–98. doi : 10.1016 / s0304-3991 (02) 00276-0 . PMID 12492230 .
- ^ O'Keefe, MA, Buseck, PR y S. Iijima (1978). "Imágenes de estructura cristalina computarizada para microscopía electrónica de alta resolución". Naturaleza . 274 (5669): 322–324. Bibcode : 1978Natur.274..322O . doi : 10.1038 / 274322a0 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Williams, David B .; Carter, C. Barry (1996). Microscopía electrónica de transmisión: un libro de texto para la ciencia de los materiales . Nueva York: Plenum Press. ISBN 978-0-306-45324-3.
- ^ "Página web del proyecto TEAM" . Consultado el 8 de agosto de 2013 .
- ^ Lichte, Hannes (1991). "Enfoque óptimo para la toma de hologramas de electrones". Ultramicroscopía . 38 (1): 13-22. doi : 10.1016 / 0304-3991 (91) 90105-F .