Microscope à correction d'aberration électronique en transmission - Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope
Le microscope à correction d'aberration électronique en transmission ( TEAM ) est un projet de recherche collaboratif entre quatre laboratoires américains et deux entreprises. L'activité principale du projet est la conception et l'application d'un microscope électronique à transmission (TEM) avec une résolution spatiale inférieure à 0,05 nanomètre , soit environ la moitié de la taille d'un atome d' hydrogène .
Le projet est basé au Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, Californie et implique Argonne National Laboratory , Oak Ridge National Laboratory et Frederick Seitz Materials Research Laboratory de l' Université de l'Illinois à Urbana-Champaign , ainsi que les sociétés FEI et CEOS, et est soutenu par le Département américain de l’énergie . Le projet a été lancé en 2004; le microscope opérationnel a été construit en 2008 et a atteint l'objectif de résolution de 0,05 nm en 2009. Le microscope est une installation partagée accessible aux utilisateurs externes.
Contexte scientifique
On sait depuis longtemps que la meilleure résolution spatiale réalisable d'un microscope optique, c'est-à-dire la plus petite caractéristique qu'il puisse observer, est de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière λ, qui est d'environ 550 nm pour la lumière verte. Une manière d'améliorer cette résolution consiste à utiliser des particules avec des λ plus petits, comme des électrons à haute énergie. Les limites pratiques fixent une énergie électronique pratique à 100–300 keV qui correspond à λ = 3,7–2,0 pm . La résolution des microscopes électroniques n'est pas limitée par la longueur d'onde des électrons, mais par les imperfections intrinsèques des lentilles électroniques. Celles-ci sont appelées aberrations sphériques et chromatiques en raison de leur similitude avec les aberrations des lentilles optiques. Ces aberrations sont réduites en installant dans un microscope un ensemble de "lentilles" auxiliaires spécialement conçues qui sont appelées correcteurs d'aberration.
Matériel
Le TEAM est basé sur un microscope électronique commercial FEI Titan 80–300, qui peut fonctionner à des tensions comprises entre 80 et 300 keV, à la fois en mode TEM et en microscopie électronique à balayage en transmission (STEM). Pour minimiser les vibrations mécaniques, le microscope est situé dans une pièce séparée dans une enceinte insonorisée et fonctionne à distance. La source d'électrons est un canon à émission de champ de type Schottky avec une diffusion d'énergie relativement faible de 0,8 eV à 300 keV. Afin de réduire les aberrations chromatiques, cet étalement est encore abaissé à 0,13 eV à 300 keV et 0,08 eV à 80 kV en utilisant un monochromateur de type à filtre de Wien . La lentille d'éclairage, qui est située au-dessus de l'échantillon et est classiquement appelée lentille à condensateur , et la lentille de collecte (appelée lentille d'objectif ) sont équipées de correcteurs d'aberration sphériques du cinquième ordre. Les électrons sont en outre filtrés en énergie par un filtre GIF et détectés par une caméra CCD . Le filtre permet de sélectionner des électrons diffusés par des éléments chimiques spécifiques et ainsi d'identifier des atomes individuels dans l'échantillon étudié.
Applications
Le TEAM a été testé sur divers solides cristallins, résolvant des atomes individuels en GaN ( orientation [211] ), germanium ([114]), or ([111]) et autres, et atteignant la résolution spatiale inférieure à 0,05 nm (environ 0,045 nm ). Dans les images de graphène - une seule feuille de graphite - on pouvait observer non seulement les atomes, mais aussi les liaisons chimiques. Un film a été enregistré à l'intérieur du microscope montrant des sauts d'atomes de carbone individuels autour d'un trou percé dans une feuille de graphène. Des images similaires, résolvant les atomes de carbone et les liaisons entre eux, ont été produites indépendamment pour le pentacène - une molécule organique plane composée de cinq cycles de carbone - en utilisant une technique de microscopie très différente, la microscopie à force atomique (AFM). Dans l'AFM, les atomes ne sont pas sondés par des électrons, mais par une pointe vibrante acérée.