Ett team av forskare i Japan har konstruerat en spegel för röntgenstrålar som kan formas flexibelt, vilket resulterar i anmärkningsvärd precision på atomnivå och ökad stabilitet.
Den nya tekniken som utvecklats av Satoshi Matsuyama och Takato Inoue vid Graduate School of Engineering vid Nagoya University, i samarbete med RIKEN och JTEC Corporation, förbättrar prestandan hos röntgenmikroskop och andra tekniker som använder röntgenspeglar. Resultaten publicerades i tidskriften Optica .
Ett röntgenmikroskop är ett avancerat bildverktyg som överbryggar gapet mellan elektron- och ljusmikroskopi. Den använder röntgenstrålar, som kan ge bättre upplösning än ljus och penetrera prover för tjocka för att elektroner ska kunna penetrera. Detta möjliggör avbildning av strukturer som är svåra att se med andra mikroskopitekniker.
Röntgenmikroskop har hög upplösning, vilket gör dem särskilt värdefulla inom områden som materialvetenskap och biologi eftersom de kan observera sammansättningen, det kemiska tillståndet och strukturen inuti ett prov.
Speglar spelar en viktig roll i röntgenmikroskop. De reflekterar röntgenstrålar, vilket möjliggör högupplöst avbildning av komplexa strukturer. Högkvalitativa bilder och exakta mätningar är en nödvändighet, särskilt inom toppmoderna vetenskapliga områden som katalysator- och batteriinspektioner.
Den lilla våglängden hos röntgenstrålar gör dem dock sårbara för distorsion från mindre tillverkningsfel och miljöpåverkan. Detta skapar vågfrontsavvikelser som kan begränsa bildupplösningen. Matsuyama och hans medarbetare löste detta problem genom att skapa en spegel som kan deformeras och justera dess form enligt den detekterade röntgenvågfronten.
För att optimera sin spegel tittade forskarna på piezoelektriska material. Dessa material är användbara eftersom de kan deformeras eller ändra form när ett elektriskt fält appliceras. Detta gör att materialet kan omforma sig för att svara på även mindre avvikelser i den detekterade vågen.
Efter att ha övervägt olika föreningar valde forskarna en enda kristall av litiumniobat som sin formföränderliga spegel. Enkristalllitiumniobat är användbart i röntgenteknik eftersom det kan expanderas och dras samman av ett elektriskt fält och poleras för att skapa en mycket reflekterande yta. Detta gör att den kan fungera som både ställdon och den reflekterande ytan, vilket förenklar enheten.
"Konventionella röntgendeformerbara speglar tillverkas genom att binda ett glassubstrat och en PZT-platta. Men att sammanfoga olika material är inte idealiskt och resulterar i instabilitet", sa Matsuyama.
"För att övervinna detta problem använde vi ett enkristall piezomaterial som erbjuder exceptionell stabilitet eftersom det är tillverkat av ett enhetligt material utan bindning. Tack vare denna enkla struktur kan spegeln fritt deformeras med atomär precision. Dessutom bibehölls denna precision i sju timmar, vilket bekräftar dess extremt höga stabilitet."
När de testade sin nya enhet fann Matsuyamas team att deras röntgenmikroskop överträffade förväntningarna. Dess höga upplösning gör den särskilt lämplig för att observera mikroskopiska föremål, såsom komponenter i halvledarenheter.
Jämfört med den rumsliga upplösningen för konventionell röntgenmikroskopi (vanligtvis 100 nm), har deras teknik potential att utveckla ett mikroskop som ger en upplösning cirka 10 gånger bättre (10 nm) eftersom aberrationskorrigeringen för det närmare den ideala upplösningen.
"Denna prestation kommer att främja utvecklingen av högupplösta röntgenmikroskop, som hade begränsats av tillverkningsprocessens precision", säger Matsuyama.
"Dessa speglar kan appliceras på andra röntgenapparater, såsom litografiapparater, teleskop, CT i medicinsk diagnostik och röntgenbildande av nanostrålar."
Mer information: Takato Inoue et al, Monolitisk deformerbar spegel baserad på litiumniobat enkristall för högupplöst röntgenadaptiv mikroskopi, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516909
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Nagoya University
