Microscopia de varredura de hélio - Scanning helium microscopy

Um diagrama que mostra como funciona um microscópio de varredura de hélio. Um feixe é formado por uma expansão de gás e colimação através de um skimmer e orifício. O feixe é então incidente na amostra, onde o gás é espalhado e coletado através de uma abertura de detector. O gás espalhado é então detectado usando um espectrômetro de massa. Ao rasterizar a amostra, uma imagem da amostra pode ser formada.

O microscópio de varredura de hélio (SHeM) é uma nova forma de microscopia que usa átomos de hélio neutros de baixa energia (5-100 meV) para obter imagens da superfície de uma amostra sem qualquer dano à amostra causado pelo processo de imagem. Como o hélio é inerte e neutro, ele pode ser usado para estudar superfícies delicadas e isolantes. As imagens são formadas rasterizando uma amostra sob um feixe de átomos e monitorando o fluxo de átomos que são espalhados em um detector em cada ponto.

A técnica é diferente de um microscópio de varredura de íon hélio, que usa íons de hélio carregados que podem causar danos à superfície.

Motivação

Os microscópios podem ser divididos em duas classes gerais: aqueles que iluminam a amostra com um feixe e aqueles que usam uma sonda de varredura física. As microscopias de varredura de sonda rasterizam uma pequena sonda na superfície de uma amostra e monitoram a interação da sonda com a amostra. A resolução de microscopias de sonda de varredura é definida pelo tamanho da região de interação entre a sonda e a amostra, que pode ser suficientemente pequena para permitir a resolução atômica. Usar uma ponta física (por exemplo, AFM ou STM ) tem algumas desvantagens, embora inclua uma área de imagem razoavelmente pequena e dificuldade em observar estruturas com uma grande variação de altura em uma pequena distância lateral.

Os microscópios que usam um feixe têm um limite fundamental no tamanho mínimo do recurso resolvível , que é dado pelo limite de difração de Abbe ,

onde é o comprimento de onda da onda de sondagem, é o índice de refração do meio em que a onda está viajando e a onda está convergindo para um ponto com meio ângulo de . Embora seja possível superar o limite de difração na resolução usando uma técnica de campo próximo , geralmente é bastante difícil. Uma vez que o denominador da equação acima para o limite de difração de Abbe será de aproximadamente dois na melhor das hipóteses, o comprimento de onda da sonda é o principal fator na determinação do recurso resolvível mínimo, que normalmente é cerca de 1 µm para microscopia óptica.

Para superar o limite de difração, é necessária uma sonda que tenha um comprimento de onda menor, que pode ser obtido usando luz com uma energia mais alta ou usando uma onda de matéria.

Os raios X têm um comprimento de onda muito menor do que a luz visível e, portanto, podem atingir resoluções superiores quando comparados às técnicas ópticas. A imagem de projeção de raios-X é convencionalmente usada em aplicações médicas, mas a imagem de alta resolução é obtida por meio de microscopia de raios-X de transmissão de varredura (STXM). Ao focalizar os raios X em um ponto pequeno e rasterizar uma amostra, uma resolução muito alta pode ser obtida com a luz. O pequeno comprimento de onda dos raios X custa uma alta energia, o que significa que os raios X podem causar danos por radiação. Além disso, os raios X estão interagindo fracamente, então eles irão interagir principalmente com a maior parte da amostra, tornando as investigações de uma superfície difíceis.

As ondas de matéria têm um comprimento de onda muito mais curto do que a luz visível e, portanto, podem ser usadas para estudar características abaixo de cerca de 1 µm. O advento da microscopia eletrônica abriu uma variedade de novos materiais que puderam ser estudados devido ao enorme aprimoramento na resolução quando comparada à microscopia óptica.

O Broglie comprimento de onda , , de uma onda de matéria em termos da sua energia cinética, e a massa da partícula, é dada por

Portanto, para que um feixe de elétrons resolva a estrutura atômica, o comprimento de onda da onda de matéria precisa ser pelo menos = 1 Å e, portanto, a energia do feixe precisa ser dada por > 100 eV.

Uma vez que os elétrons são carregados, eles podem ser manipulados usando ótica eletromagnética para formar pontos de tamanho extremamente pequeno em uma superfície. Devido ao comprimento de onda de um feixe de elétrons ser baixo, o limite de difração de Abbe pode ser empurrado para baixo da resolução atômica e lentes eletromagnéticas podem ser usadas para formar pontos muito intensos na superfície de um material. A óptica em um microscópio eletrônico de varredura geralmente requer que a energia do feixe seja superior a 1 keV para produzir o feixe de elétrons de melhor qualidade.

A alta energia dos elétrons faz com que o feixe de elétrons interaja não apenas com a superfície de um material, mas forma um volume de interação lágrima-gota abaixo da superfície. Embora o tamanho do ponto na superfície possa ser extremamente baixo, os elétrons viajarão para a massa e continuarão interagindo com a amostra. A microscopia eletrônica de transmissão evita a interação em massa usando apenas amostras finas; no entanto, normalmente o feixe de elétrons interagindo com a massa limitará a resolução de um microscópio eletrônico de varredura.

O feixe de elétrons também pode danificar o material, destruindo a estrutura a ser estudada devido à alta energia do feixe. Danos por feixe de elétrons podem ocorrer por meio de uma variedade de processos diferentes que são específicos do espécime. Exemplos de danos por feixe incluem a quebra de ligações em um polímero para alterar a estrutura, danos indiretos em metais que criam uma lacuna na rede e alterações na química da superfície. Além disso, o feixe de elétrons é carregado, o que significa que a superfície da amostra precisa ser condutora para evitar artefatos de carga nas imagens. Um método para mitigar o problema ao criar imagens de superfícies de isolamento é usar um microscópio eletrônico de varredura ambiental (ESEM).

Portanto, em geral, os elétrons muitas vezes não são particularmente adequados para estudar superfícies delicadas devido à alta energia do feixe e à falta de sensibilidade de superfície exclusiva. Em vez disso, uma viga alternativa é necessária para o estudo de superfícies com baixa energia sem perturbar a estrutura.

Dada a equação para o comprimento de onda de de Broglie acima, o mesmo comprimento de onda de um feixe pode ser obtido com energias mais baixas usando um feixe de massa mais alta. Portanto, se o objetivo for estudar a superfície de um material com uma resolução abaixo daquela que pode ser alcançada com microscopia óptica, pode ser apropriado usar átomos como uma sonda. Embora os nêutrons possam ser usados ​​como uma sonda, eles interagem fracamente com a matéria e só podem estudar a estrutura volumosa de um material. A imagem de nêutrons também requer um alto fluxo de nêutrons, que geralmente só pode ser fornecido por um reator nuclear ou acelerador de partículas.

Um feixe de átomos de hélio com comprimento de onda = 1 Å tem energia de 20 meV, que é quase igual à energia térmica. Usar uma massa maior do que os elétrons significa que é possível obter um feixe com um comprimento de onda adequado para escalas de comprimento de sondagem até o nível atômico com uma energia muito menor.

Os feixes de átomos de hélio de energia térmica são exclusivamente sensíveis à superfície, dando ao espalhamento de hélio uma vantagem sobre outras técnicas, como espalhamento de elétrons e raios-X para estudos de superfície. Para as energias de feixe que são usadas, os átomos de hélio terão pontos de viragem clássicos 2-3 Å de distância dos núcleos dos átomos da superfície. O ponto de viragem está bem acima dos núcleos dos átomos da superfície, o que significa que o feixe irá interagir apenas com os elétrons mais externos.

História

A primeira discussão sobre como obter uma imagem de uma superfície usando átomos foi feita por King e Bigas. King e Bigas, mostraram que a imagem de uma superfície pode ser obtida aquecendo uma amostra e monitorando os átomos que evaporam da superfície. King e Bigas sugerem que pode ser possível formar uma imagem espalhando átomos da superfície, embora tenha demorado algum tempo antes de ser demonstrado

A ideia de geração de imagens com átomos em vez de luz foi posteriormente amplamente discutida na literatura. A abordagem inicial para produzir um microscópio de hélio assumiu que um elemento focalizador é necessário para produzir um feixe de átomos de alta intensidade. Uma abordagem inicial foi desenvolver um espelho atômico , o que é atraente, uma vez que a focalização é independente da distribuição de velocidade dos átomos que chegam. No entanto, os desafios do material para produzir uma superfície apropriada que seja macroscopicamente curva e sem defeitos em uma escala de comprimento atômica se mostraram muito desafiadores até agora. King e Bigas, mostraram que a imagem de uma superfície pode ser obtida aquecendo uma amostra e monitorando os átomos que evaporam da superfície. King e Bigas sugerem que seria possível formar uma imagem espalhando átomos da superfície, embora isso tenha demorado muito para ser demonstrado.

Os átomos metaestáveis ​​são átomos que foram excitados fora do estado fundamental, mas permanecem nesse estado por um período de tempo significativo. A microscopia com átomos metaestáveis ​​tem se mostrado possível, onde os átomos metaestáveis ​​liberam energia interna armazenada na superfície, liberando elétrons que fornecem informações sobre a estrutura eletrônica. A energia cinética dos átomos metaestáveis ​​significa que apenas a estrutura eletrônica da superfície é sondada, mas a grande troca de energia quando o átomo metaestável se desexcita ainda perturbará as superfícies delicadas da amostra.

As primeiras imagens bidimensionais de hélio neutro foram obtidas usando uma placa de zona de Fresnel convencional por Koch et al. em uma configuração de transmissão. O hélio não passa através de um material sólido, portanto, uma grande mudança no sinal medido é obtida quando uma amostra é colocada entre a fonte e o detector. Ao maximizar o contraste e usar o modo de transmissão, ficou muito mais fácil verificar a viabilidade da técnica. No entanto, a configuração usada por Koch et al. com uma placa de zona não produziu um sinal alto o suficiente para observar o sinal refletido da superfície no momento. No entanto, a focagem obtida com uma placa de zona oferece o potencial para uma resolução melhorada devido ao pequeno tamanho do ponto de feixe no futuro. A pesquisa em microscópios de hélio neutro que usam uma placa de zona de fresnel é uma área ativa no grupo de Holst na Universidade de Bergen.

Como o uso de uma placa de zona provou ser difícil devido à baixa eficiência de focalização, métodos alternativos para formar um feixe de hélio para produzir imagens com átomos foram explorados.

Esforços recentes têm evitado focalizar elementos e, em vez disso, estão colimando diretamente um feixe com um orifício. A falta de ótica do átomo significa que o feixe será significativamente maior do que em um microscópio eletrônico . A primeira demonstração publicada de uma imagem bidimensional formada por hélio refletido da superfície foi feita por Witham e Sánchez, que usaram um orifício para formar o feixe de hélio. Um pequeno orifício é colocado muito perto de uma amostra e o hélio espalhado em um grande ângulo sólido é alimentado para um detector. As imagens são coletadas movendo a amostra sob o feixe e monitorando como o fluxo de hélio espalhado muda.

Paralelamente ao trabalho de Witham e Sánchez, uma máquina de prova de conceito chamada microscópio de varredura de hélio (SHeM) estava sendo desenvolvida em Cambridge em colaboração com o grupo de Dastoor da Universidade de Newcastle. A abordagem adotada foi simplificar as tentativas anteriores que envolviam um espelho de átomo usando um orifício, mas ainda usando uma fonte de hélio convencional para produzir um feixe de alta qualidade. Outras diferenças em relação ao desenho de Witham e Sánchez incluem o uso de uma amostra maior para a distância do pinhole, de modo que uma maior variedade de amostras pode ser usada e para usar um ângulo sólido de coleção menor, de modo que seja possível observar um contraste mais sutil. Essas mudanças também reduziram o fluxo total no detector, o que significa que detectores de maior eficiência são necessários (o que em si é uma área ativa de pesquisa.

Processo de formação de imagem

Uma imagem de átomo de hélio do olho de uma mosca
Árvore de mecanismo de contraste SHeM

O feixe atômico é formado por meio de uma expansão supersônica, que é uma técnica padrão usada no espalhamento do átomo de hélio . A linha central do gás é selecionada por um skimmer para formar um feixe de átomo com uma distribuição de velocidade estreita. O gás é então colimado por um orifício para formar um feixe estreito que está tipicamente entre 1-10 µm. O uso de um elemento de foco (como uma placa de zona) permite que tamanhos de ponto de feixe abaixo de 1 um sejam alcançados, mas atualmente ainda vêm com baixa intensidade de sinal.

O gás então se espalha da superfície e é coletado em um detector. Para medir o fluxo dos átomos de hélio neutros, eles devem primeiro ser ionizados. A inércia do hélio que o torna uma sonda suave agora significa que ele é difícil de ionizar e, portanto, o bombardeio de elétrons razoavelmente agressivo é normalmente usado para criar os íons. Uma configuração de espectrômetro de massa é então usada para selecionar apenas os íons de hélio para detecção.

Uma vez que o fluxo de uma parte específica da superfície é coletado, a amostra é movida sob o feixe para gerar uma imagem. Ao obter o valor do fluxo espalhado em uma grade de posições, os valores podem ser convertidos em uma imagem.

O contraste observado em imagens de hélio foi normalmente dominado pela variação na topografia da amostra. Normalmente, como o comprimento de onda do feixe do átomo é pequeno, as superfícies parecem extremamente ásperas para o feixe do átomo que se aproxima. Portanto, os átomos estão difusamente espalhados e seguem aproximadamente a Lei de Knudsen [citação?] (O átomo equivalente à lei do cosseno de Lambert em óptica). No entanto, mais recentemente o trabalho começou a ver divergência do espalhamento difuso devido a efeitos como difração e efeitos de contraste químico. No entanto, os mecanismos exatos para formar contraste em um microscópio de hélio é um campo ativo de pesquisa. A maioria dos casos tem alguma combinação complexa de vários mecanismos de contraste, tornando difícil separar as diferentes contribuições.

Configurações ótimas

As configurações ideais de microscópios de varredura de hélio são configurações geométricas que maximizam a intensidade do feixe de imagem dentro de uma determinada resolução lateral e sob certas restrições tecnológicas .

Ao projetar um microscópio de varredura de hélio, os cientistas se esforçam para maximizar a intensidade do feixe de imagem, minimizando sua largura. A razão por trás disso é que a largura do feixe dá a resolução do microscópio, enquanto sua intensidade é proporcional à sua relação sinal-ruído. Devido à sua neutralidade e alta energia de ionização , os átomos de hélio neutros são difíceis de detectar. Isso torna os feixes de alta intensidade um requisito crucial para um microscópio de varredura de hélio viável.

Para gerar um feixe de alta intensidade, os microscópios de varredura de hélio são projetados para gerar uma expansão supersônica do gás no vácuo, que acelera os átomos de hélio neutros a altas velocidades. Os microscópios de varredura de hélio existem em duas configurações diferentes: a configuração de orifício e a configuração de placa de zona. Na configuração do pinhole, uma pequena abertura (o pinhole) seleciona uma seção da expansão supersônica longe de sua origem, que foi previamente colimada por um skimmer (essencialmente, outro pequeno pinhole). Esta seção então se torna o feixe de imagem. Na configuração da placa de zona, uma placa de zona de fresnel focaliza os átomos vindos de um skimmer em um pequeno ponto focal.

Cada uma dessas configurações tem diferentes designs ideais, pois são definidas por diferentes equações ópticas.

Configuração pinhole

Geometria de um microscópio de varredura de hélio em sua configuração pinhole mostrando as variáveis ​​utilizadas neste artigo. Imagem retirada de (enviada pelo autor).

Para a configuração do pinhole, a largura do feixe (que pretendemos minimizar) é amplamente fornecida pela óptica geométrica . O tamanho do feixe no plano da amostra é dado pelas linhas que conectam as bordas do skimmer com as bordas do orifício. Quando o número de fresnel é muito pequeno ( ), a largura do feixe também é afetada pela difração de Fraunhofer (veja a equação abaixo).

Nesta equação é a largura total na metade do máximo do feixe, é a projeção geométrica do feixe e é o termo de difração de Airy . é a função de passo de Heaviside usada aqui para indicar que a presença do termo de difração depende do valor do número de Fresnel. Observe que há variações dessa equação dependendo do que é definido como "largura do feixe" (para obter detalhes, compare e). Devido ao pequeno comprimento de onda do feixe de hélio, o termo de difração de Fraunhofer geralmente pode ser omitido.

A intensidade do feixe (que pretendemos maximizar) é dada pela seguinte equação (de acordo com o modelo de Sikora e Andersen):

Onde está a intensidade total proveniente do bocal de expansão supersônica (tomada como uma constante no problema de otimização), é o raio do orifício, S é a razão de velocidade do feixe, é o raio do skimmer, é o raio do superfície de saída da expansão supersônica (o ponto na expansão a partir do qual os átomos podem ser considerados viajando em linha reta), é a distância entre o bocal e o skimmer e é a distância entre o skimmer e o orifício. Existem várias outras versões dessa equação que dependem do modelo de intensidade, mas todas mostram uma dependência quadrática do raio do orifício (quanto maior o orifício, maior a intensidade) e uma dependência quadrática inversa com a distância entre o skimmer e o orifício (quanto mais os átomos se espalham, menos intensidade).

Combinando as duas equações mostradas acima, pode-se obter que, para uma dada largura de feixe para o regime de óptica geométrica, os seguintes valores correspondem aos máximos de intensidade:

Aqui, representa a distância de trabalho do microscópio e é uma constante que decorre da definição da largura do feixe. Observe que ambas as equações são fornecidas em relação à distância entre o skimmer e o orifício, a. O máximo global de intensidade pode então ser obtido numericamente substituindo esses valores na equação de intensidade acima. Em geral, raios menores do skimmer juntamente com distâncias menores entre o skimmer e o orifício são preferidos, levando, na prática, ao projeto de microscópios pinhole cada vez menores.

Configuração de placa de zona

Geometria de um microscópio de varredura de hélio em sua configuração de placa de zona mostrando as variáveis ​​utilizadas neste artigo. Imagem retirada de (enviada pelo autor).

O microscópio de placa de zona usa uma placa de zona (que atua aproximadamente como uma lente clássica ) em vez de um orifício para focalizar o feixe de átomo em um pequeno ponto focal. Isso significa que a equação da largura do feixe muda significativamente (veja abaixo).

Aqui está a ampliação da placa da zona e é a largura da menor zona. Observe a presença de aberrações cromáticas ( ). O sinal de aproximação indica o regime em que a distância entre a placa da zona e o skimmer é muito maior do que seu comprimento focal.

O primeiro termo nesta equação é semelhante à contribuição geométrica no caso do pinhole: uma placa de zona maior (considerando todos os parâmetros constantes) corresponde a um tamanho de ponto focal maior. O terceiro termo difere da ótica de configuração do pinhole, pois inclui uma relação quadrática com o tamanho do skimmer (que é visualizado através da placa de zona) e uma relação linear com a ampliação da placa de zona, que ao mesmo tempo dependerá de seu raio.

A equação para maximizar, a intensidade, é a mesma do caso do furo de agulha com a substituição . Por substituição da equação de ampliação:

Onde está o comprimento de onda de-Broglie médio do feixe. Tomando uma constante , que deve ser igual ao menor valor alcançável, os máximos da equação de intensidade em relação ao raio da placa da zona e a distância da placa da zona do skimmer podem ser obtidos analiticamente. A derivada da intensidade em relação ao raio da placa da zona pode ser reduzida pela seguinte equação cúbica (uma vez que foi definida como igual a zero):

Aqui, alguns agrupamentos são usados: é uma constante que dá o tamanho relativo da menor abertura da placa da zona em comparação com o comprimento de onda médio do feixe e é a largura do feixe modificada, que é usada através da derivação para evitar operar explicitamente com a constante prazo arejado: .

Essa equação cúbica é obtida sob uma série de suposições geométricas e tem uma solução analítica de forma fechada que pode ser consultada no artigo original ou obtida por meio de qualquer software de álgebra moderno. A conseqüência prática dessa equação é que os microscópios de placa de zona são projetados de maneira ideal quando as distâncias entre os componentes são pequenas e o raio da placa de zona também é pequeno. Isso vai ao encontro dos resultados obtidos para a configuração do pinhole e tem como consequência prática o desenho de microscópios de varredura de hélio menores.

Veja também

Referências