”Nu kun je atomen met eigen ogen zien'

De transmissie elektronenmicroscoop kon al grote atomen onderscheiden. Door een verbetering van het scheidend vermogen zijn nu ook de kleine maar belangrijke koolstof-, zuurstof- en stikstofatomen zichtbaar.

Met transmissie elektronenmicroscopie zijn voortaan punten op een onderlinge afstand van 1,1 ©1Angström te onderscheiden. Dat is ongeveer de uitwijking waarmee we door spreken de atomen in muren om ons heen laten trillen. ””Een ©1Angström is 10- meter,'' zegt drs. Marc de Jong van Philips Industrial Electronics, ””dat is de diepte die een mammoettanker in zee zakt op het moment dat er een bromvlieg aan boord landt.''

Net zoals onze ogen nog net twee stipjes op één vijfde millimeter van elkaar kunnen onderscheiden, zo herkent transmissie elektronenmicroscopie (TEM) afzonderlijke punten tot op ©1Angströmschaal. Philips is er nu met zijn partners in het Brite-Euram project Sub-©1Angström Characterization in TEM in geslaagd om het scheidend vermogen (resolutie) van zijn microscopen te verkleinen van 1.8 naar 1.1 ©1Angström.

Voor materiaalonderzoekers is dit een wereld van verschil. Het betekent dat een TEM voortaan de kleinere atomen zuurstof, stikstof en koolstof in keramische structuren, in oxyden zoals supergeleiders en in zeer harde carbiden apart kan onderscheiden. ””Er zijn talloze toepassingen in de keramiek, katalyse en halfgeleiderindustrie die deze extra resolutie goed kunnen gebruiken'', zegt prof.dr. David Smith van het centrum voor hoge resolutie elektronenmicroscopie aan de Arizona State University.

Voor de researchgroep uit Arizona was de ”opwindende' vooruitgang in het Brite-Euram project de reden waarom ze zich als associate partner aansloten. Smith: ””Het is altijd zo'n beetje het doel geweest om 1 ©1Angström resolutie te halen. De droom is 0,6 ©1Angström, maar 1 ©1Angström ontsluiert al veel mysteries die lange tijd verborgen waren.''

Smith is bezig de 3 miljoen gulden bij elkaar te sprokkelen om een Philips-microscoop aan te kunnen schaffen. ””En ik weet dat er in de VS op zijn minst nog vijf laboratoria met fund raising bezig zijn. Je krijgt er niet altijd meer wetenschap door, maar het overtuigt mensen als ze de atomen met eigen ogen kunnen zien. Seeing is believing.''

Meten in ©1Angströms (afkorting ©1A, spreek uit ongstreum) is niet meer van deze tijd. Net zoals het pond een halve kilo is geworden, is ook de ©1Angström geen officiële lengte-eenheid meer. Hij is genoemd naar de Zweedse natuurkundige Anders Jonas ©1Angström en werd vooral gebruikt voor de lengte van lichtgolven. Tegenwoordig is de nanometer (in het rijtje kilometer, meter, millimeter, micrometer, nanometer steeds om duizendvoudige verkleining een nieuwe naam) de gebruikelijke eenheid. Een ©1Angström is 0,1 nanometer.

Maar de ©1Angström is moeilijk uit het wetenschappelijk spraakgebruik te bannen. Het is een handige meetlat voor atomen. In organische moleculen bijvoorbeeld zitten de kernen van koolstof- en waterstofatomen ongeveer 1 ©1A van elkaar. Molecuulkolommen

Met behulp van TEM zien we eigenlijk geen atomen, maar atoomkolommen. Een stipje in het beeld is als het ware de schaduw van een rijtje atoomkernen. Verder lijkt het TEM-principe veel op het vergroten van een dia met projector. Een bundel elektronen doorstraalt een zeer dun preparaat van enkele tientallen ©1Angströms dik, waarna magnetische lenzen de geladen deeltjes afbeelden op een fluorescerend scherm of een camera.

De elektronen in een TEM worden versneld door spanningen tussen de 200 en 300 kilovolt. Ze gedragen zich als golven, waarbij grotere versnelspanningen kortere golflentes en een hogere resolutie betekenen. De golven interacteren met de kernen en elektronen in het TEM-preparaat.

Een vergelijkbare resolutie (rond de 2 ©1A) leveren tastmicroscopen zoals de scanning tunneling microscoop (STM) en de scanning force microscoop (SFM) waarbij door middel van interactie tussen elektronenwolken op de top van een tastnaald en oppervlakte-atomen een oppervlak van een kristal op atomaire schaal wordt weergegeven. STM en SFM kijken niet in het preparaat. TEM moet bovendien niet worden verward met scanning elektronenmicroscopie (SEM), waarbij een scannende elektronenbundel een (meestal met goud gecoat) sample aftast.

Op de gok een monster in de elektronenbundel van de TEM plaatsen levert meestal weinig op. De kristalvlakken in het preparaat gedragen zich namelijk als lamellen met een hyper-kritische doorkijk-richting. Alleen als de rijen atomen parallel aan de elektronenbundel liggen valt er wat te zien.

Met een beter scheidend vermogen valt er vanuit heel wat meer hoeken in kristallen te kijken. ””We doen het nog niet, maar dat biedt de mogelijkheid om met de computer een driedimensionaal beeld te reconstrueren'', zegt dr. Frans Greidanus, groepsleider Structuuranalyse bij Philips Natuurkundig Laboratorium. Door een verbetering in scheidend vermogen van 2 naar 1.1 ©1A is silicium nu bijvoorbeeld transparant voor 7 kristalrichtingen in plaats van 1. Hierdoor kunnen in principe ruimtelijke landkaarten van kristallen worden gemaakt waarin onzuiverheden zijn te zien.

De spectaculaire Europese inhaalrace onder leiding van Philips heeft de Japanse microscoopfabrikanten hun positie van marktleider ontnomen. Een tijdje geleden golden microscopen van het Japanse bedrijf JEOL met resoluties van 1,6 ©1Angström als het neusje van de zalm op TEM-gebied. Het Forschungsinstitut Jülich kocht er zes jaar geleden vier, waarvan twee met hoge resolutie. Prof.dr. Knut Urban van de onderzoekgroep Vastestoffysica: ””We konden nergens betere krijgen. De Japanners beleefden gouden tijden, hun verkopen waren gigantisch. Maar nu hebben ze op een of andere manier de Europese ontwikkelingen gemist.'' Sinds twee maanden heeft groep van Urban de beschikking over een TEM van Philips.

Elektronenoptiek

De doorbraak is mogelijk ondanks de blijvende beperkingen van de magnetische lenzen waarmee de elektronenbundels worden gefocuseerd. Sinds dr. Ernst Ruska aan de Universiteit van Berlijn in 1931 de allereerste transmissie elektronenmicroscoop bouwde is de resolutie gestaag toegenomen. Terwijl de eerste TEM van Ruska - hij kreeg in 1986 de Nobelprijs voor zijn TEM onderzoekingen, tegelijk met Binnig en Rohrer die de prijs voor STM kregen - tot een vergrotingsfactor van 16 reikte, komt TEM nu boven een miljoen uit.

Maar de laatste jaren loopt de ontwikkeling van magnetische lenzen tegen zijn limiet aan. Hoewel de golflengtes van versnelde elektronen honderdmaal betere resoluties toestaan, laat de elektronenoptiek het afweten. Dat komt doordat magnetische lenzen aan de randen altijd sterker zijn dan in het midden. Door deze sferische aberratie gaat veel informatie verloren als de golven weer in het beeldvlak combineren. ””We lopen tegen een hele zware limiet aan,'' zegt De Jong van Philips. ””Door de sferische aberratie blijven we bij een resolutie van 1,9 ©1Angström hangen, en het is onmogelijk op directe manier een resolutie van 1 ©1A te bereiken.''

Via een omweg is deze informatie-limiet toch doorbroken. Een belangrijk element daarin is de ontwikkeling van een speciale elektronenbron. In vergelijking met de vroegere lanthaanborium (LaB6, ”lab-zes') gloeidraad is de elektronenstraling van deze field emission gun nagenoeg (laserachtig) coherent. Daarmee is geen beter zichtbaar beeld te krijgen, want voor elektronengolven zijn onze ogen nu eenmaal niet gebouwd. Maar door de coherentie in de straling blijft tijdens het vergrotingsproces de informatie uit de interactie met het preparaat wel bewaard.

””Als de vervorming van de elektronengolven door de sferische aberratie niet zou optreden zou je perfecte afbeeldingen krijgen,'' zegt dr. Wim Coene van Structuuranalyse. ””Door de coherente bron zijn nu kleinere details in het beeld op te sporen. In het beeldvormingsproces zijn die slechts vervaagd, omdat de elektronengolven een faseverstoring hebben ondergaan.''

In een conventioneel TEM-beeld is het theoretisch betere beeld niet te zien door de sferische aberratie van de lenzen, maar met behulp van digitale opnamen bij verschillende focusinstellingen is met de computer een gedetailleerder beeld te construeren. Wim Coene en Guido Janssen van Philips Natlab publiceerden daarover afgelopen december in Physical Review letters samen met de Brite Euram partners van de universiteit van Antwerpen. Ze beschreven hoe ze door combinatie van een veld-emissiebron en image retrieval de resolutie van een TEM omlaag brachten van 2,4 ©1A primair oplossend vermogen tot 1,4 . Afgelopen juni werd voor het eerst 1,15 ©1A bereikt in een 300 kV-microscoop bij Philips Electron Optics in Acht.

De hele automatisering heeft tot gevolg dat in een kwartier een atoomscherp beeld is te reconstrueren. De atomen zijn aanwijsbaar in regelmatige zwart-wit patronen. Enkele jaren geleden leverden TEM's ook wit-zwart gespikkelde patronen, maar als men hieruit de atoomposities exact moest afleiden, moest het beeldvormende proces worden gesimuleerd met de computer totdat opname en model ”op elkaar pasten'. Daar was soms dagen rekenwerk met mainframes voor nodig.

Tal van andere wetenschappers, waaronder de groep van Urban in Jülich, hebben zich inmiddels ook op image retrieval gestort. Urban is inmiddels acht maanden bezig met een soortgelijke methode en zegt op zijn Japanse microscopen een resolutie van 1.3 tot 1,2 ©1Angström te bereiken. Urban: ””Bij alle Philips-microscopen is de primaire resolutie slechter dan 1,6 ©1Angström. Maar nu hebben TEM's van Philips deze excellente bron waarmee ze door computermethoden naar 1,1 ©1Angström kunnen gaan.''

Ook Hitachi maakt nieuwe veld-emitters, maar met een andere techniek. Urban: ””Philips heeft altijd een betere analyse gemaakt van wat klanten nodig hadden. Zij hadden dit geniale idee om een robuuste veld-emitter te maken voor het dagelijkse leven op een laboratorium. Dat opende de markt. Gewone laboratoria kunnen met zo'n microscoop omgaan. Hitachi levert eigenlijk een techniek die te moeilijk te hanteren is. En op het gebied van beeldverwerking gebeurt er niets in Japan.''

TEM heeft meer dan alleen vergroting te bieden. Het instrument is een soort mini-lab waarin door botsende elektronen en atoomkernen bijvoorbeeld röntgenstraling vrijkomt die informatie over de elementen in het preparaat geeft. Door de coherente straling is de elektronenbundel tot een zeer kleine spot met diameter van 10 ©1Angström te focusseren. ””Met de nieuwe Philips microscoop kun je het beeld bekijken en vervolgens de bundel op een plaats zetten om daar de atomaire samenstelling te bepalen aan de hand van een röntgenspectrum,'' zegt dr. Henny Zandbergen van Brite Euram partner TU Delft. Atomen geven in ongeveer 20 seconden tellen hun identiteit prijs wanneer ze met de elektronenbundel worden aangewezen. De Delftse wetenschappers van het Nationaal Centrum voor Hoge Resolutie Elektonenmicroscopie gebruiken de nieuwe microscoop vooral voor de karakterisatie van supergeleiders, katalysatoren, halfgeleiders en onderzoek naar grenslagen in metalen.

Hun microscoop meet daarbij niet uitsluitend structuren. Door de hoge gevoeligheid gedraagt het instrument zich als een wanstaltig dure microfoon. Een normaal gesprek is aan de hand van de trillende atomen in het beeld op te merken. Zandbergen: ””We komen nu tot op 1,3 ©1Angström, hoofdzakelijk door omgevingsinvloeden zoals de waterstroom voor het koelen van de magneetspoelen van de lenzen. We hebben het omgevingsgeluid moeten afschermen om scherpe beelden te kunnen krijgen. Nu zien we alleen nog de vrachtwagens die ons gebouw passeren, maar in het begin zagen we door onze microscoop ook als er personenauto's langsreden.''

    • Rene Raaijmakers