Фізика
Фізика

Атом сфотографували із рекордною роздільною здатністю

Фізики побили рекорд у точності зображення атомів - їм вдалося отримати світлину з більшою у два рази, порівняно із рекордом 2018 року, роздільною здатністю. Для цього вони використали техніку птихографії та опромінили кристал рентгенівськими променями, кути розсіяних електронів у якому використали, щоб визначити форму атомів, які їх розсіювали. Результати експерименту вчені опублікували у журналі Science.

Повне фазове зображення PrScO3, підсумовуючи всі зрізи. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Повне фазове зображення PrScO3, підсумовуючи всі зрізи. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Як сфотографувати атом?

Трансмісійні або просвічуючі електронні мікроскопи використовують електрони з довжиною хвилі в кілька пікометрів, а тому потенційно здатні відображати окремі атоми в твердих тілах з роздільною здатністю, яка встановлюється внутрішнім розміром атома. Однак, через спотворення лінз і багаторазового розсіювання електронів в зразку, роздільна здатність зображення знижується в 3-10 разів. Тому методи візуалізації, засновані на проекціях, через окремі легувальні домішки та відносно товсту матрицю, зазвичай показують невеликий контраст на зображенні або не показують його взагалі. Так вчені можуть виявляти лише легувальні домішки з великими атомними номерами в матриці легких елементів і дуже тонкому зразку.

Наприклад, атом стибію (сурма) в кремнієвій матриці можна виділити тільки за допомогою кільцевих темнопольних зображень STEM в зразках товщиною менше 5 нанометрів. Крім того, в кристалічних зразках спостерігається сильне багатократне розсіяння електронів, тому електронний промінь в результаті спотворюється та призводить до неправильного розташування стовпців положення домішок. Це ж стосується і електронної томографії - найбільш часто використовуваного методу для визначення тривимірної структури зразків, оскільки поганий або неправильний контраст від окремих домішок в проєкційних зображеннях, що використовуються для електронної томографії, перешкоджає їхній ідентифікації та правильній локалізації.

Імітовані зображення з атомною роздільною здатністю зразка PrScO3 з різною товщиною для різних методів візуалізації за шкалою у два ангстреми. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Імітовані зображення з атомною роздільною здатністю зразка PrScO3 з різною товщиною для різних методів візуалізації за шкалою у два ангстреми. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Що запропонували вчені?

Ці проблеми вдалося подолати за допомогою птихографіі - методу, який використовує когерентне розсіювання та відновлює загальне зображення з величезного числа дифракційних спектрів, отриманих при різних параметрах знімання. Птихографія з’явилася у 1960-х роках і з того часу сучасні установки використовують зазвичай серію дифракційних картин, зібраних шляхом сканування невеликим зондом зразка. Ніяких обмежень періодичності або симетрії для структури вибірки як правило не виникає. Тому цей підхід широко використовується дослідниками, що займаються видимим світлом і рентгенівськими зображеннями. Втім, досі електронна птихографія була обмежена товщиною зразка і обмеженими характеристиками детектора в електронній мікроскопії.

Поява двовимірних матеріалів і розробка детекторів прямих електронів привели до відновлення інтересу: електронна піхографія для тонких зразків двовимірних матеріалів продемонструвала роздільну здатність зображення, що в 2,5 рази перевищує дифракційну межу лінз - аж до межі Аббе у 39 мікрометрів. Досі це був рекорд у зображенні, хоч і для двомірного матеріалу. Але такі підходи з надвисокою роздільною здатністю можуть бути надійно застосовані тільки до зразків тонше декількох нанометрів, причому вони мало чим відрізнятимуться від звичайних методів для більш товстих зразків, тож далі від двовимірних матеріалів технологія не пішла. Для більших зразків, ніж глибина різкості зонда, була запропонована багатозрізова птихографія з використанням декількох зрізів, структури яких можна отримати окремо. Є кілька успішних експериментів з багатозрізовою птихографією з використанням видимого світла або рентгенівських променів. Роздільну здатність цього методу обмежує не оптика, а сила розсіювання зразка, тому в перспективі він все ж може працювати і з більш товстими зразками, а отже і побачити теплові коливання атомів в об’ємних зразках, щоб можна було б ідентифікувати поодинокі атомні домішки.

Мультиспіральна птихографічна реконструкція зразка PrScO3 товщиною 50 нанометрів. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Мультиспіральна птихографічна реконструкція зразка PrScO3 товщиною 50 нанометрів. Zhen Chen et al. / Science, 2021

Що вони сфотографували?

Вченим вдалося побачити теплові коливання атомів в зразку PrScO3 із розмитістю, меншою за 20 пікометрів, поєднуючи зображення кількох зрізів матеріалу. Також вони визначили і положення атомних домішок у всіх трьох вимірах з нанометровою точністю всього за одне проєкційне вимірювання. Вони визначили атомну відстань з роздільною здатністю у 16 пікометрів зі стандартним відхиленням 0,7 пікометра, та навіть побачили домішки найлегших атомів оксигену всього у 63 пікометрах від «важчого» скандію. Експерименти проводилися за кімнатної температури у 300 кельвінів, тож у майбутньому вони зможуть так фіксувати і дефекти в атомних масштабах у всіх трьох вимірах матеріалів.