Extremt ultraviolett (EUV) ljus i mikroskopi erbjuder fördelen att få en högupplöst bild kombinerat med spektral information om föremålet som studeras. Dock, eftersom EUV-mikroskopi använder diffraktion istället för linser, avbildning med mer än en våglängd är utmanande. Forskare vid ARCNL och Vrije Universiteit Amsterdam har hittat en lösning genom att designa en ny klass av diffraktiva optiska element för EUV-ljus. Deras resultat erbjuder möjligheter att förbättra både ljuskällorna och de optiska elementen i EUV-mikroskopi, banar väg för utbredd användning av tekniken inom nanovetenskap. Den 25 januari publicerade de sina resultat i tidskriften Optica .

EUV-mikroskopi fyller nischen mellan avbildning med synligt ljus, som inte ger de detaljer i nanometerskala som behövs inom nanovetenskap eller biologisk avbildning, och avbildningsmetoder som elektronmikroskopi, som ger ännu fler detaljer men ibland är olämplig eftersom den behöver kryogen kylning och noggrann provberedning. Dessutom, på grund av dess starka interaktion med materia, EUV-ljus är mycket användbart för spektroskopimätningar som avslöjar materialegenskaper hos ett prov.

Dock, EUV-mikroskopi av bordsskivor innebär fortfarande vissa utmaningar. "Ett mycket praktiskt problem med att använda EUV-ljus för avbildningsändamål är att nästan alla material på jorden absorberar det mesta av strålningen. Därför vi kan inte använda linser för att fokusera EUV-ljus, " säger ARCNL gruppledare Stefan Witte. "Men, vi kan använda diffraktion. Om du skickar ljus genom ett föremål med slitsar, det kommer att böjas. Om slitsarna är ordnade på rätt sätt, det är möjligt att fokusera strålningen, precis som du skulle fokusera synligt ljus med en lins."

Zonplattor istället för linser

EUV-ljus kan fokuseras med en så kallad Fresnel-zonplatta, en skiva med ett cirkulärt mönster av slitsar som diffrakterar ljuset. En inneboende egenskap hos diffraktion, dock, är att diffraktionsvinkeln är beroende av våglängden. Witte:"Vi använder en koherent källa som innehåller ett brett spektrum av ljus i EUV-området. Med en konventionell zonplatta, detta resulterar i olika fokuspunkter för varje våglängd i strålen, men vi kan bara använda en av dem utan att behöva flytta provet. Dessutom, det är omöjligt att samla in spektraldata för ett prov när du bara skickar en våglängd av ljus genom det. Materialegenskaperna hos provet som vi kunde avslöja med EUV-spektroskopi förblir därför dolda."

Optimering

Lars Loetgering och Kevin Liu, båda forskarna i Wittes grupp, hittade en något kontraintuitiv lösning på detta problem. Medan en perfekt zonplatta erbjuder distinkta fokuspunkter, mindre fel eller ojämnheter i det cirkulära mönstret av slitsar kommer att göra att fokus blir utsmetat i strålens riktning. Forskarna insåg att de kunde använda dessa smutsiga fokus "smutsar" till sin fördel. "Fokusstrykarna skiftas också för varje våglängd i spektrumet, men de överlappar varandra något, " säger Witte. "Vi gjorde en modell för att beräkna den optimala zonplattan, där ett minimum av oregelbundenheter – eller entropi i strukturen – resulterar i en maximal överlappning av fokusutstrykarna. Med det, vi kan få ut det mesta av det tillgängliga EUV-ljuset och även dra fördel av den spektrala känsligheten hos EUV-avbildning genom att samla in data från upp till nio olika våglängder."

Spännande tider framför oss

Witte och hans team har testat sina "imperfekta" zonplattor både i simuleringar och experiment och är exalterade över resultaten. "Denna nya typ av diffraktiva optiska element banar inte bara vägen för utbredd användning av bordsskiva EUV-mikroskopi, men vi kan också använda den för att ta ett steg tillbaka och försöka göra våra EUV-källor mer effektiva, " säger han. "Vi letar efter den idealiska kombinationen av ljus och diffraktion, som kan vara olika beroende på vilken information du söker efter."

Witte förväntar sig att de kommande åren kommer att bli avgörande för en bredare användning av EUV-mikroskopi inom nanovetenskap; "tekniken är för närvarande begränsad av källornas effektivitet och begränsningen till strålning med en enda våglängd. Det finns fortfarande mycket arbete att göra, men med vårt tillvägagångssätt förväntar jag mig att vi kan optimera tekniken ytterligare så att den kan användas inom metrologi eller materialvetenskap. Till exempel, forskare som nu är beroende av stora synkrotronanläggningar kommer att kunna göra sina experiment i sitt eget labb med ett EUV-mikroskop för bordsskivor."