Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Resolutie elektronenmicroscoop sterk verbeterd

Met een nieuw soort detector is de resolutie van de elektronenmicroscoop sterk verbeterd. De ‘lage-energie-elektronenmicroscoop’ (LEEM) kan hiermee worden ingezet voor onderzoek aan de dunst mogelijke materialen. De tests met de detector vormen het eerste resultaat van het project ESCHER.

Het grote verschil tussen de oude (links) en de nieuwe (rechts) detector. In beide gevallen is hetzelfde grafeenlaagje (licht) op iridium (donker) afgebeeld. A) met de traditionele MCP detector. B) met Medipix 2. De maten zijn de afmetingen van de detector. Het beeld is sterk vergroot. Het afgebeelde oppervlak is 15,5x15,5 µm2 groot. Het contrastverschil is opvallend: de nieuwe detector laat de details veel duidelijker aan het licht komen. De oude en de nieuwe detector zijn te vergelijken met een oude en een nieuwe digitale camera: een nieuwe camera heeft meer pixels, waardoor de foto’s scherper en de details duidelijker zijn.

Grotere gevoeligheid

Het onderzoek naar de groei en eigenschappen van geavanceerde materialen kan met de nieuwe detector efficiënter en met een grotere gevoeligheid uitgevoerd worden. De resolutie van de LEEM kan zelfs met een factor 2,5 worden verbeterd. De tests zijn gedaan door wetenschappers van Leiden, Twente en IBM.

Lage-energie-elektronenmicroscopie

Lage-energie-elektronenmicroscopie is een recente ontwikkeling binnen de microscopie. De techniek wordt steeds belangrijker in het onderzoek naar processen in de micro- en nano-elektronica, zoals halfgeleider-nanokristalgroei, grafeensynthese en andere fenomenen op nanoschaal. ‘In een conventionele elektronenmicroscoop worden elektronen tot een hoge energie versneld en naar het preparaat geschoten’, zegt Ruud Tromp, hoogleraar Fysica van oppervlakken en materialen en onderzoeksstaflid bij IBM. ‘Het bijzondere van LEEM is dat het met lage-energie-elektronen werkt. Hierdoor zijn de elektronen zeer gevoelig voor de kleinste structuren aan het oppervlak. Magnetische elektronlenzen vormen met de gereflecteerde elektronen een videobeeld van het preparaat en zelfs van zijn elektronische eigenschappen. Een betere detector geeft daarbij natuurlijk een beter beeld.

Medipix2

De nieuwe detector, de Medipix2, is een high-tech CMOS-detector ontwikkeld door het Medipix2 consortium. Hoofddoel van de Medipix2 is het meten van röntgenstraling. De onderzoekers Sense Jan van der Molen, Irakli Sikharulidze en Ruud Tromp monteerden de Medipix2 echter in de lage-energie-elektronenmicroscoop van Raoul van Gastel in Twente. De resultaten waren verbluffend.

Nachtvisiecamera’s

De detector die tot nog toe werd gebruikt, is van het type dat ook in nachtvisiecamera’s zit. Die kent helaas veel nadelen. Hij kan slechts een beperkte signaalintensiteit aan, het gemeten signaal heeft last van ruis en de ruimtelijke resolutie is beperkt. De Medipix2 lost deze drie problemen in een keer op. Door de uitstekende testresultaten verwachten de onderzoekers, dat de Medipix2 de standaard zal worden in toekomstige LEEM-systemen.

Grafeen

De verbeterde resolutie is belangrijk voor de ontwikkeling van micro- en nanotechnologie. Het wordt nu mogelijk om de groei en eigenschappen van bijvoorbeeld grafeen diepgaand te onderzoeken. Grafeen is een dun materiaal van precies één koolstoflaag dik. Van grafeen is bekend dat het nieuwe mogelijkheden opent op het gebied van de elektronica en de spintronica, waarvoor Albert Fert en Peter Grünberg in 2007 de Nobelprijs kregen.

Eiwitmoleculen

Hoe kan grafeen efficiënt geproduceerd worden? Voorlopig is de belangrijke stap van laboratorium naar industrie nog niet gezet. In een LEEM kan de groei van grafeen live worden bekeken. Dat kan inzicht verschaffen over hoe het materiaal in de toekomst op grote schaal gemaakt kan worden. Ook voor onderzoek naar de exotische combinatie tussen metalen en organische materialen betekent de microscoop een stap voorwaarts. Er is voor ESCHER een serie experimenten gepland met self-assembled monolayers, organische lagen van precies één molecuul dik. Door zulke lagen aan te brengen en de juiste moleculen te kiezen kan een oppervlak nieuwe eigenschappen krijgen, zoals waterafstotend of juist niet-waterafstotend.

ESCHER-microscoop

De ESCHER-microscoop wordt later dit jaar in gebruik genomen. Het instrument, gebaseerd op een ontwerp van Ruud Tromp, wordt in Leiden verder ontwikkeld. De microscoop krijgt, mede dankzij de nieuwe detector, een sterk verbeterde resolutie en contrast. Met behulp van de microscoop worden studies mogelijk bij temperaturen variërend van nabij het absolute nulpunt tot boven 1500 oC.

Dit onderzoek wordt mede gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en Technologiestichting STW.
Het Medipix2 consortium wordt gecoördineerd door CERN en NIKHEF.