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新方法大大提高了 X 射线纳米断层扫描分辨率

2021-08-25 10:10          X射线

这张具有16纳米宽特征的板子的图像是以低于10纳米的分辨率拍摄的,使科学家能够看到其形状的微小缺陷。

长期以来,这一直是一个真理:如果你想研究单个原子的运动和行为,电子显微镜可以提供X射线无法提供的东西。X射线善于穿透样品,例如,它可以让你看到电池内部在充电和放电时发生了什么,但是从历史上看,它们无法像电子那样精确地进行空间成像。

但是科学家们正在努力提高X射线技术的图像分辨率。其中一种方法是X射线断层扫描,它能够对材料的内部进行非侵入性成像。例如,如果你想绘制一个微电路的错综复杂的图,或追踪大脑中的神经元而不破坏所观察的材料,你需要X射线断层扫描,而且分辨率越高,可以用X射线束追踪的现象就越小。

为此,由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室领导的一组科学家创造了一种新的方法来提高硬X射线纳米断层摄影的分辨率。(纳米层析是以纳米为尺度的X射线成像。作为比较,一根普通人的头发有100,000纳米宽)。) 该团队利用高级光子源(APS)的强大X射线束建造了一个高分辨率的X射线显微镜,并创建了新的计算机算法来补偿在微小尺度上遇到的问题。利用这种方法,该团队实现了低于10纳米的分辨率。

"我们希望达到10纳米或更好的水平,"阿贡X射线科学部(XSD)光学组的物理学家Michael Wojcik说。"我们为纳米层析学开发了这个,因为我们可以比其他方法更快地获得10纳米范围内的三维信息,但光学和算法也适用于其他X射线技术。"

使用APS光束线32-ID的内部透射X射线显微镜(TXM)--包括由Wojcik在纳米材料中心(CNM)制作的特殊镜头--该团队能够利用X射线的独特特性,在大约一个小时内获得高分辨率的3D图像。但即使是这些图像也没有达到理想的分辨率,因此该团队设计了一种新的计算机驱动技术来进一步改善它们。

该团队试图纠正的主要问题是样品漂移和变形。在这些小范围内,如果样品在光束内移动,哪怕是几纳米,或者如果X射线束在样品本身造成哪怕是最轻微的变化,其结果将是样品的三维图像上出现运动伪影。这可能会使后续分析变得更加困难。

在那么小的范围内,样品漂移可以由各种事物引起,包括温度的变化。为了进行断层扫描,样品也必须在光束中非常精确地旋转,这可能导致运动误差,在数据中看起来像样品漂移。阿贡团队的新算法致力于消除这些问题,从而获得更清晰、更鲜明的三维图像。

"我们开发了一种算法,可以补偿漂移和变形,"阿贡大学XSD研究助理Viktor Nikitin说。"当应用标准的三维重建方法时,我们实现了16纳米范围内的分辨率,但通过该算法,我们将其降低到10纳米。"

研究小组以几种方式测试了他们的设备和技术。首先,他们拍摄了一个具有16纳米宽特征的小板的二维和三维图像,这个小板是由Kenan Li制造的,他当时来自西北大学,现在在DOE的SLAC国家加速器实验室工作。他们能够对该板的结构中的微小缺陷进行成像。然后他们在一个实际的电化学储能装置上进行了测试,使用X射线窥视内部并捕捉高分辨率的图像。

文森特-德-安德拉德(Vincent de Andrade)是这项研究时阿贡的一名光束线科学家,他是该论文的主要作者。"即使这些结果很突出,"他说,"这种新技术仍有很大的空间可以变得更好。"

这个仪器和技术的能力将随着光学和探测器的持续研发工作而提高,并将受益于正在进行的APS的升级。当完成后,升级后的设施将产生高能X射线光束,其亮度是目前可能的500倍,而X射线光学技术的进一步发展将使更窄的光束具有更高的分辨率。

"升级后,我们将推动8纳米及以下的分辨率,"尼基丁说。"我们希望这将是一个在越来越小的尺度上进行研究的强大工具。"

该团队的研究发表在《先进材料》上。


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