Elektronmikroskopi har gjort det möjligt för forskare att se enskilda atomer, men även vid den upplösningen är inte allt klart.

Linserna i elektronmikroskop har inneboende defekter som kallas aberrationer, och speciella aberrationskorrigerare – "som glasögon för ditt mikroskop, sa David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik vid institutionen för tillämpad och teknisk fysik (AEP) – har utvecklats under åren för att korrigera dessa defekter.

Avvikelsekorrigerare går bara så långt, dock, och för att korrigera flera avvikelser, du behöver en ständigt växande samlare av korrigeringselement. Det är som att sätta glasögon på glasögon på glasögon – det blir lite otympligt.

Muller – tillsammans med Sol Gruner, John L. Wetherill professor i fysik, och Veit Elser, professor i fysik – har utvecklat en metod för att uppnå ultrahög upplösning utan behov av "korrigerande linser" för sitt mikroskop.

De har använt sin Cornell-utvecklade elektronmikroskop pixel array detector (EMPAD), som introducerades i mars 2017. Med den har de uppnått vad Muller, meddirektör för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, Detta är ett världsrekord för bildupplösning – i det här fallet med monolager (en atomtjock) molybdendisulfid (MoS2).

Deras prestation rapporteras i "Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution, publiceras den 19 juli Natur . Medförfattare var Yi Jiang, Ph.D. '18 (fysik) och Zhen Chen, postdoktor i Mullergruppen.

Elektronvåglängder är många gånger mindre än för synligt ljus, men elektronmikroskoplinser är inte proportionerligt exakta.

Vanligtvis, Muller sa, ett elektronmikroskops upplösning beror till stor del på linsens numeriska bländare. I en grundläggande kamera, numerisk bländare är den reciproka av "f-numret" - ju mindre siffra, desto bättre upplösning.

I en bra kamera, det lägsta f-talet eller "f-stoppet" kan vara lite under 2, men "ett elektronmikroskop har ett f-tal på cirka 100, ", sa Muller. Aberrationskorrigerare kan sänka siffran till cirka 40, sa han – fortfarande inte bra.

Bildupplösningen i elektronmikroskopi har traditionellt förbättrats genom att öka både linsens numeriska apertur och elektronstrålens energi, som gör för mikroskopet vad ljus gör för en kamera eller ett optiskt mikroskop – lyser upp motivet.

Tidigare upplösningsrekord uppnåddes med en aberrationskorrigerad lins och superhög strålenergi – 300 kiloelektronvolt (keV) – för att få subångströmsupplösning. Atombindningar är i allmänhet mellan 1 och 2 ångström (Å) långa – en ångström är 0,1 nanometer – så sub-ångströmsupplösning skulle göra det möjligt för en att enkelt se enskilda atomer. Muller-gruppen kunde nå en upplösning på 0,39 Å – ett nytt världsrekord – och på en lägre, mindre skadlig strålenergi där upplösningen från enbart de aberrationskorrigerade linserna var 0,98 Å.

Mullers grupp använde EMPAD och en teknik som kallas ptykografi:När elektronstrålen skannar provet, detektorn samlar in både fullpositions- och momentumfördelningar av de spridda elektronerna i överlappande steg. Bilden rekonstrueras från den resulterande 4-dimensionella datamängden.

Gruppen använde en strålenergi på bara 80 keV för att inte förstöra MoS2. Trots halvljusenergin, upplösningen med EMPAD är så bra, mikroskopet kan med häpnadsväckande tydlighet upptäcka en saknad svavelatom – "en defekt i gittret, " sa Gruner - i ett 2D-material. "Det är häpnadsväckande för mig, " han sa.

Med en upplösningsförmåga som är mindre än den minsta atombindningen, ett nytt testobjekt för EMPAD-metoden behövdes. Yimo Han, Ph.D '18, och Pratiti Deb '16, från Mullers grupp, staplade två ark av MoS2, ett ark lite snett, så att atomer från de två arken var synliga på avstånd från en full bindningslängd från varandra till att ligga ovanpå varandra. "Det är i princip världens minsta härskare, " sa Gruner.

EMPAD, som har eftermonterats på mikroskop över hela campus, kan spela in ett brett spektrum av intensiteter – från att detektera en enskild elektron till intensiva strålar som innehåller hundratusentals eller till och med en miljon elektroner.

"Den analogi jag gillar att använda är, en bil kommer mot dig på natten, " sa Gruner. "Och du tittar på lamporna som kommer mot dig, och du kan läsa registreringsskylten mellan dem utan att bli blind."