Новый подход группы ученых из США к уменьшению хроматических и сферических аберраций в электронной микроскопии позволяет «рассмотреть» одноатомный слой нитрида бора, структуры, сходной по свойствам с графеном.
Изобретение способов компенсации сферических и хроматических аберраций было, пожалуй, одним из наиболее значительных свершений в области электронной микроскопии с момента изобретения самой электронной пушки.
Хроматические и сферические аберрации, хорошо известные в оптике, в электронной микроскопии также играют важную роль. Аберрации – это отклонения оптических (или, как в данном случае, электронных) лучей от направления, по которому они должны распространяться в «идеальной» системе. Сферическая аберрация – это нарушение фокусировки лучей, прошедших на разных расстояниях от «оптической оси» системы; хроматическая – расхождение электромагнитных волн с разной частотой из-за зависимости дифракции волн от их длин. Т.к. поток электронов – это та же электромагнитная волна, но другого частотного диапазона (по сравнению с видимым светом), при ее рассмотрении нельзя упускать из виду ни один, ни другой тип «ошибок».
Современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ, Transmission electron microscopy, TEM), оснащенные средствами компенсации аберраций, позволяют добиться разрешающей способности до 50 пм, т.е., фактически, достигают чувствительности до 1 атома. Для сравнения, сканирующие ПЭМ (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM) при той же длине волны электронного пучка достигают разрешения в 140 пм. Однако, столь хороших результатов можно добиться далеко не для любых энергий электронных пучков. Наибольшая проблема отображения в электронной микроскопии заключается в том, что традиционно используемые электроны с малой длиной волны (большой энергией) в значительной степени воздействуют на исследуемый образец, разрушая его.
Единственный способ уменьшить воздействие на образец – использовать электроны с меньшей энергией, т.е. увеличить длину волны электронного пучка. Такие исследования позволили бы гораздо лучше «рассмотреть» новейшие наноструктуры с низкой размерностью – нанотрубки, одноатомные слои и т.п. Однако, для низкоэнергетических пучков электронов создать систему компенсации аберраций при сохранении четкости итогового изображения гораздо сложнее.
Одна из наноструктур, вызывающая повышенный интерес исследователей, – одноатомный слой нитрида бора, имеющий гексагональную структуру на подобии одноатомных слоев углерода (графена). Расстояние межу атомами азота и бора в кристаллической решетке – порядка 1,44 Ангстрема, при этом слой имеет весьма интригующие магнитные и электронные свойства, отличные от углерода. Исследования нитрида бора было осложнено тем, что кристаллическая структура очень чувствительна к электронным пучкам с энергией выше 80 кВ.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review B, группа американских ученых показала, что разработанный ими уникальный подход позволяет компенсировать аберрации настолько, чтобы четко рассмотреть гексагональную структуру нитрида бора при использовании электронного пучка с «пограничной» энергией – 80 кВ.
Полученный результат – это не просто новый шаг в исследовании одноатомных слоев нитрида бора. Разработанная учеными методика открывает путь для существенного повышения точности электронных микроскопов будущего.
