21 jul. 2009
4 minuten
Onderzoekers van de universiteiten van Leiden, Twente en IBM hebben aangetoond dat met behulp van een nieuw soort detector de afbeeldingsresolutie van een elektronenmicroscoop met een factor 2,5 wordt verbeterd. Hierdoor kan de ‘lage-energie-elektronenmicroscoop’ (LEEM) worden benut voor veeleisende experimenten aan de groei en eigenschappen van de dunst mogelijke materialen.
Opnames van grafeen (licht) op iridium (donker) met behulp van een lage-energie-elektronenmicroscoop in PEEM-mode (foto-emissie). A) Opname met de traditionele MCP-detector. B) Opname met de Medipix2-detector. De verschillen in scherpte en detail spreken voor zich. De maten zijn de afmetingen van de detector. Het beeld is sterk vergroot. Het afgebeelde oppervlak is 15,5 x 15,5 mm2 groot. (Bron: Universiteit Leiden en IBM)
Dankzij deze doorbraak kan het onderzoek naar de groei en eigenschappen van geavanceerde materialen efficiënter en met grotere gevoeligheid uitgevoerd worden. Dit onderzoek vormt de eerste fase van het project ESCHER (Universiteit Leiden) waarin de overheid via NWO 2,3 miljoen euro heeft geïnvesteerd.
Grafeen
Een voorbeeld van zeer dunne materialen is grafeen, dat precies één koolstoflaag dik is. De afbeelding laat het enorme verschil zien tussen een oude en de nieuwe detector. In beide gevallen is hetzelfde grafeenlaagje op iridium afgebeeld. 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.
Lage-energie-elektronenmicroscopie is een relatief jonge tak van microscopie die steeds belangrijker wordt in industrieel èn academisch onderzoek. Het is de toonaangevende techniek in studies naar processen die essentieel zijn voor de micro- en nano-elektronica, zoals halfgeleider-nanokristalgroei, grafeensynthese en vele andere fenomenen op nanoschaal. Ruud Tromp: “In een conventionele elektronenmicroscoop worden elektronen tot een hoge energie versneld en naar het preparaat geschoten. 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.”
Doorbraak door Medipix2
De sleutel tot de doorbraak is een high-tech CMOS-detector, de Medipix2. De nieuwe detector is oorspronkelijk ontwikkeld door het Medipix2-consortium, dat gecoördineerd wordt door CERN en dat ook het Nationale Instituut voor Subatomaire Fysica NIKHEF in Amsterdam bevat. Het hoofddoel van de Medipix2 is het meten van röntgenstraling. De Leidse onderzoekers Sense Jan van der Molen, Irakli Sikharulidze (Technologiestichting STW) en Ruud Tromp (IBM/Leiden) monteerden de Medipix2 echter in de lage-energie-elektronenmicroscoop van Raoul van Gastel in Twente, met fantastische resultaten. De detector die tot nog toe werd gebruikt is van hetzelfde type dat in nachtcamera’s wordt benut. Dat type kent evenwel vele nadelen. Zo kan hij slechts een beperkte signaalintensiteit aan, heeft het gemeten signaal last van ruis en is de ruimtelijke resolutie beperkt. De Medipix2 lost al deze drie problemen tegelijk op. Vanwege de uitmuntende testresultaten verwachten de onderzoekers dan ook dat de Medipix dè standaard zal worden in toekomstige LEEM-systemen.
Voordelen
De voordelen van de verbeterde afbeeldingskwaliteit zijn significant, zowel voor het werkveld van de onderzoekers als voor de ontwikkeling van micro- en nanotechnologie. Het wordt nu bijvoorbeeld mogelijk om de groei en eigenschappen van grafeen diepgaand te onderzoeken. Grafeen opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van elektronica en spintronica. Maar 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. Zo kunnen onderzoekers leren begrijpen hoe het materiaal in de toekomst op grote schaal gemaakt kan worden. Ook voor onderzoek naar de exotische combinatie tussen metalen en organische materialen zoals moleculen, betekent de microscoop een grote stap voorwaarts. Er is voor ESCHER een serie experimenten gepland met moleculaire lagen van precies één molecuul dik (‘self-assembled monolayers’). Door zulke lagen aan te brengen en de juiste moleculen te kiezen kunnen onderzoekers nieuwe eigenschappen aan een oppervlak geven (bijvoorbeeld waterafstotend versus niet-waterafstotend).
Wereldklasse
De ESCHER-microscoop zal later dit jaar in gebruik worden genomen bij de Universiteit Leiden. Het instrument, gebaseerd op een ontwerp van Ruud Tromp, zal in Leiden verder worden ontwikkeld tot een apparaat van absolute wereldklasse. De ESCHER-microscoop zal een sterk verbeterde resolutie en contrast hebben, mede dankzij de nieuwe detector, en zal studies mogelijk maken bij temperaturen variërend van nabij het absolute nulpunt tot voorbij 1500 oC.
Dit onderzoek wordt mede ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en Technologiestichting STW.
Anderen lazen ook
