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Evolución de la resolución espacial lograda con microscopios ópticos, de transmisión (TEM) y electrónicos con corrección de aberraciones (ACTEM). [1]

El microscopio con corrección de aberraciones electrónicas de transmisión ( TEAM ) es un proyecto de investigación en colaboración entre cuatro laboratorios de EE. UU. Y dos empresas. La actividad principal del proyecto es el diseño y la 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 . [2]

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 EE. UU . 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. [3]

Antecedentes científicos [ editar ]

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 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 no está limitada 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 de las lentes ópticas. Esas aberraciones se reducen instalando en un microscopio un conjunto de "lentes" auxiliares especialmente diseñados que se denominan correctores de aberraciones. [4] [5]

Hardware [ editar ]

El equipo 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 de tipo Schottky con una dispersión de energía relativamente baja de 0,8 eV a 300 keV. Para reducir las aberraciones cromáticas, esta extensión 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 . [4]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. [6]

Aplicaciones [ editar ]

El TEAM ha sido probado en varios sólidos cristalinos, resolviendo átomos individuales en GaN ( orientación [211] ), germanio ([114]), oro ([111]) y otros, y alcanzando la 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. [2] [7] [8] [9] 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). [10] [11] En AFM, los átomos no son sondeados por electrones, sino por una punta vibrante afilada.

Referencias [ editar ]

  1. ^ Pennycook, SJ; Varela, M .; Hetherington, CJD; Kirkland, AI (2011). "Materiales avances a través de microscopía electrónica con corrección de aberraciones" (PDF) . Boletín MRS . 31 : 36–43. doi : 10.1557 / mrs2006.4 .
  2. ^ a b "Los científicos de Berkeley producen la primera película de acción en vivo de átomos de carbono individuales en acción" . 26 de marzo de 2009.
  3. ^ "La línea de tiempo del proyecto TEM" . lbl.gov.
  4. ↑ a b H. H. Rose (2008). "Óptica de microscopios electrónicos de alto rendimiento" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 9 (1): 014107. Código bibliográfico : 2008STAdM ... 9a4107R . doi : 10.1088 / 0031-8949 / 9/1/014107 . PMC 5099802 . PMID 27877933 .  
  5. ^ N. Tanaka (2008). "Estado actual y perspectivas futuras de aberración esférica corregida TEM / STEM para el estudio de nanomateriales" . Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (1): 014111. Código bibliográfico : 2008STAdM ... 9a4111T . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 9/1/014111 . PMC 5099806 . PMID 27877937 .  
  6. ^ C. Kisielowski; et al. (2008). "Detección de átomos individuales y defectos enterrados en tres dimensiones mediante microscopio electrónico con corrección de aberraciones con límite de información de 0,5 Å" (PDF) . Microscopía y Microanálisis . 14 (5): 469–477. Código bibliográfico : 2008MiMic..14..469K . doi : 10.1017 / S1431927608080902 . PMID 18793491 .  
  7. ^ R. Erni; et al. (2009). "Imágenes de resolución atómica con una sonda electrónica de menos de 50 pm" (PDF) . Cartas de revisión física (manuscrito enviado). 102 (9): 096101. Código Bibliográfico : 2009PhRvL.102i6101E . doi : 10.1103 / PhysRevLett.102.096101 . PMID 19392535 .  
  8. ^ CO Girit; et al. (27 de marzo de 2009). "Grafeno en el borde: estabilidad y dinámica". Ciencia . 323 (5922): 1705–8. Código Bibliográfico : 2009Sci ... 323.1705G . doi : 10.1126 / science.1166999 . PMID 19325110 . 
  9. ^ JC Meyer; et al. (2008). "Imágenes directas de átomos de celosía y defectos topológicos en membranas de grafeno". Nano Lett . 8 (11): 3582–6. Código Bibliográfico : 2008NanoL ... 8.3582M . doi : 10.1021 / nl801386m . PMID 18563938 . 
  10. ↑ Palmer, Jason (28 de agosto de 2009). "Impresionante imagen de una sola molécula" . BBC News . Consultado el 28 de agosto de 2009 . CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
  11. ^ L. Gross; Mohn, F; Moll, N; Liljeroth, P; Meyer, G (2009). "La estructura química de una molécula resuelta por microscopía de fuerza atómica". Ciencia . 325 (5944): 1110–4. Código Bibliográfico : 2009Sci ... 325.1110G . doi : 10.1126 / science.1176210 . PMID 19713523 . 

Enlaces externos [ editar ]

  • Sitio principal del proyecto TEAM