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X射线显微镜新记录:具有7nm分辨率的软X射线显微镜

X射线显微镜 衍射透镜
发布:2020-12-07 11:36:14    

FAU,瑞士的Paul Scherrer研究所以及巴黎,汉堡和巴塞尔的其他机构的研究人员已经成功地创造了X射线显微镜的新记录。借助改进的衍射透镜和更精确的样品定位,它们能够实现单位数纳米尺度的空间分辨率。直接成像的这一新领域可以为纳米结构的研究提供重要动力,并进一步推进太阳能电池和新型磁数据存储的开发。该发现现已发表在著名的《 Optica》杂志上,标题为“具有7nm分辨率的软X射线显微镜”。

菲涅耳波带片最常用作X射线显微镜中的衍射聚焦元件。在Paul Scherrer研究所的Erlangen-STXM中,光束被聚焦到样品上,然后以最高的精度对其进行光栅扫描。透射光束对局部X射线吸收敏感,这会探测元素,电子,磁性或化学变化。图片:Paul Scherrer研究所BenediktRösner博士)

使用低能X射线的软X射线显微镜用于研究纳米级材料的特性。该技术可用于确定在太阳能电池和电池的开发中起重要作用的有机膜的结构。它还可以观察到颗粒的化学过程或催化反应。该方法允许研究所谓的自旋动力学。电子不仅可以传输电荷,而且还具有内部旋转方向,可以用于新型的磁性数据存储。

为了将来改进对这些过程的研究,研究人员需要能够“放大”到个位数的纳米级。理论上,使用软X射线可以做到这一点,但是到目前为止,使用需要后续重建的间接成像方法,只有不到10纳米的空间分辨率才是可能的。“对于诸如化学反应或磁性粒子相互作用之类的动态过程,我们需要能够直接查看结构,” FAU物理化学II主席Rainer Fink教授解释说。“ X射线显微镜特别适合于此,因为它可以在磁性环境中比例如电子显微镜更灵活地使用。”

改进的聚焦和校准

研究人员与Paul Scherrer研究所以及巴黎,汉堡和巴塞尔的其他机构合作,打破了X射线显微镜的新记录,因为他们在几个不同的实验中成功达到了7纳米的记录分辨率。这一成功并非主要基于更强大的X射线源,而是基于使用衍射透镜和测试样品的更精确校准来改善射线的聚焦。“我们优化了用于聚焦X射线的菲涅耳波带片的结构尺寸,” Rainer Fink解释说。“此外,我们能够以更高的精度将样品放置在设备中,并再现这种精度。” 正是由于这种有限的定位和整个系统的稳定性,至今仍无法改善直接成像的分辨率。

值得注意的是,这种记录分辨率不仅可以通过专门设计的测试结构来实现,而且可以在实际应用中实现。例如,研究人员使用新的光学器件研究了5至20纳米的铁颗粒的磁场方向。芬克教授解释说:“我们认为我们的研究结果将推动对能源材料尤其是纳米磁性的研究。该字段中的相关结构尺寸通常低于当前的分辨率极限。”

该项目已获得联邦教育与研究部(BMBF),德国研究基金会(DFG)和EUH 2020研究与创新计划的资助。

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