サブオングストロームタイコグラフイ電子顕微鏡

電子顕微鏡の進歩によって個々の原子の観測が可能になったが、まだ未解決の課題もある。電子顕微鏡のレンズは収差として知られている本質的な不完全性を避けられない。

 

そのため収差補正機構が必要になる。この本質的な問題を解決する努力に研究者はこれまで膨大な時間をかけてきた。しかし、収差補正装置にはこれまでのところ、収差を複数回補正を繰り返さなければならなかった。

この度、顕微鏡用の「補正レンズ」を必要とせずに超高分解能を実現する方法が開発された。電子顕微鏡のピクセルアレイ検出器(EMPAD)を導入した。この場合、単層(1原子厚)の二硫化モリブデン(MoS2)を試料として世界最高分解能を記録した(Jiang et al., Nature 559, 343, 2018)。

 

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Credit: Nature

 

電子顕微鏡の解像度は、大部分がレンズの開口数に依存する。基本的なカメラでは、開口数は「F値」の逆数です。数値が小さいほど解像度は高くなる。良いカメラでは、最も低いF値、すなわち「f-stop」は2未満にもなるが、電子顕微鏡のF値は約100である。収差補正器はその数を約40に減らすことができる。

電子顕微鏡での画像解像度は、レンズの開口数と電子エネルギーの両方を増加させることによって改善されてきた。収差補正されたレンズと超高ビームエネルギー(300keV))を用いて、解像度記録は実現した。原子結合は一般的に1〜2オングストローム(Å)の長さであり、オングストロームは0.1ナノメートルであるため、分解能より低い原子は個々の原子を容易に見ることができる。研究チームは、世界記録である0.39オングストロームの分解能と、収差補正されたレンズのみからの分解能が0.98オングストロームを得た。

 

タイコグラフイでは電子ビームが試料を走査するとき、検出器は散乱電子の全位置および運動量分布を重なり合ったステップで収集する。画像は、得られた4次元データセットから再構築される。

実験では、MoS2を破壊しないように、80keVのビームエネルギーを使用した。ビームエネルギーが低いにもかかわらず、EMPADを使用した分解能は非常に優れている。硫黄原子の欠陥を検出することができた。

 

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Credit: Nature

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