Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере продвинули область томографии, внедрив новый метод визуализации с использованием луча в форме пончика. Этот метод позволяет получать детальные изображения крошечных структур с регулярным рисунком, таких как полупроводники, преодолевая ограничения традиционных микроскопов. Ожидается, что это достижение значительно улучшит наноэлектронику и биовизуализацию.
В новом исследовании исследователи из Университета Колорадо в Боулдере использовали луч света в форме пончика для получения детальных изображений крошечных объектов, которые невозможно увидеть с помощью традиционных микроскопов.
Новая технология может помочь ученым улучшить внутреннюю работу целого ряда «наноэлектроники», включая крошечные полупроводники, используемые в компьютерных чипах. Об открытии было рассказано в специальном выпуске журнала Optics & Photonics News «Оптика в 2023 году», опубликованном 1 декабря.
Это исследование является последним достижением в области «птихографии». «птихография» — труднопроизносимый («р» молчит), но мощный метод наблюдения за очень маленькими вещами. В отличие от традиционных микроскопов, инструменты птихографии не позволяют непосредственно наблюдать мелкие объекты. Вместо этого они направляют лазер на цель, а затем измеряют, как рассеивается свет — что-то вроде микроскопической техники создания теневых марионеток на стене.
Маргарет Мурнейн, старший автор исследования и заслуженный профессор физики, сказала, что до сих пор этот подход работал очень хорошо, за одним важным исключением.
«До недавнего времени этот метод был полностью неэффективен для высокопериодических образцов или объектов с регулярно повторяющимися узорами», — сказал исследователь из JILA, совместного исследовательского института Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST). «Это проблема, потому что они включают в себя множество наноэлектронных устройств».
Она отметила, что многие важные технологии, такие как некоторые полупроводники, состоят из атомов, таких как кремний или углерод, связанных между собой в регулярные структуры, такие как небольшие сетки или сетки. До сих пор ученым было трудно наблюдать эти структуры вблизи с помощью методов томографии.
Однако в этом новом исследовании Мурнейн и ее коллеги нашли решение. Вместо использования традиционного лазера в микроскопе они создали луч крайнего ультрафиолета в форме пончика.
Новый метод команды позволяет получать точные изображения крошечных, деликатных структур размером от 10 до 100 нанометров, что во много раз меньше одной миллионной дюйма. В будущем исследователи надеются увеличить масштаб, чтобы наблюдать более мелкие структуры. При этом кольцевые лучи или лучи оптического углового момента также не повреждают крошечные электронные компоненты, как это иногда делают некоторые существующие инструменты визуализации, такие как электронные микроскопы.
«В будущем этот метод можно будет использовать для проверки полимеров, используемых для изготовления и печати полупроводников, на наличие дефектов, не повреждая эти структуры в процессе», — сказал Мурнейн.
Бин Ван и Натан Брукс, получившие докторскую степень в JILA в 2023 году, являются первыми авторами нового исследования.
Мурнейн сказал, что исследование расширяет фундаментальный предел микроскопии: из-за физики света инструменты визуализации, использующие линзы, могут видеть только около 200 нанометров окружающего мира, что недостаточно точно, чтобы уловить множество вирусов, заражающих людей. Ученые могут замораживать и уничтожать вирусы с помощью мощной криоэлектронной микроскопии, но они пока не могут фиксировать активность этих патогенов в режиме реального времени. Методы хроматографии, впервые появившиеся в середине 2000-х годов, могли бы помочь исследователям преодолеть это ограничение.
Принцип аналогичен теневому кукольному театру. Представьте себе, что ученые хотели собрать многослойное изображение очень маленькой структуры, возможно, букв, обозначающих «CU». Для этого они сначала осветили буквы лазерным лучом, многократно просканировав их. Когда свет попадает на буквы «С» и «U» (в данном случае на марионеток), лучи распадаются и рассеиваются, создавая сложные узоры (тени). Ученые используют чувствительные детекторы для регистрации этих закономерностей, а затем анализируют их с помощью ряда математических формул. По словам Мулнэйна, если у них будет достаточно времени, им удалось воссоздать форму букв, полностью основываясь на отбрасываемых ими тенях.
«Мы не используем линзы для получения изображений, мы используем алгоритмы», — сказал Мурнейн.
Она и ее коллеги ранее использовали этот метод для наблюдения субмикроскопических форм, таких как буквы или звезды. Но этот подход не работает для повторяющихся структур, таких как кремниевые или углеродные сетки. Например, если вы ударите по полупроводнику с такой регулярностью регулярным лучом лазерного света, он обычно создаст невероятно однородную картину рассеяния - картину, которая не имеет больших изменений, трудно понять алгоритмам перекрестного излучения. Этот вопрос озадачивал физиков почти десятилетие.
Чтобы проверить свой новый метод, исследователи создали сеть атомов углерода с небольшим дефектом в одном звене, просматриваемую с помощью луча в форме пончика (слева) и с помощью обычного лазера (в центре и справа). Источник изображения: Ван и др., 2023, Optica.
Однако в новом исследовании Мурнейн и ее коллеги решили попробовать нечто иное. Для изготовления теневых марионеток они не использовали обычные лазеры. Вместо этого они создали луч крайнего ультрафиолета, а затем использовали устройство, называемое спиральной фазовой пластиной, чтобы скрутить луч в спираль или вихрь. (Когда такой вихревой свет падает на плоскую поверхность, он образует форму пончика). . Команда обнаружила, что когда эти лучи отражаются от повторяющихся структур, они могут создавать игры теней, которые намного сложнее, чем обычные лазеры.
Чтобы проверить новый метод, исследователи создали сеть атомов углерода с крошечным зазором в одном из звеньев. Исследовательская группа смогла обнаружить этот дефект с точностью, которую не могут сделать другие инструменты для создания узоров.
В дальнейшем ее команда надеется сделать свою стратегию пончиков еще более точной, что позволит им наблюдать меньшие и более хрупкие объекты, в том числе однажды наблюдать за работой живых биологических клеток.
Составлено по материалам: ScitechDaily.