(Phys.org) -- En enkel ny förbättring av en viktig mikroskopkomponent kan avsevärt förbättra avbildningen för forskare som studerar de mycket små, från celler till datorchips.

Joseph Lyding, professor i el- och datorteknik vid University of Illinois, ledde en grupp som utvecklade en ny mikroskopsondslipningsteknik. Tekniken beskrivs i forskning som publicerades denna vecka i tidskriften Naturkommunikation .

Skanningsprobmikroskop ger bilder av små strukturer med hög upplösning på atomär skala. Spetsen på sonden skummar ytan på ett prov för att mäta mekaniska, elektriska eller kemiska egenskaper. Sådana mikroskop används ofta bland forskare som arbetar med små strukturer inom områden från nanoteknik till cellulär biologi.

Labs kan spendera hundratusentals dollar på ett elegant instrument – ​​till exempel, ett scanning tunneling microscope (STM) eller ett atomic force microscope (AFM) – ändå beror kvaliteten på data på sonden. Sonder kan snabbt brytas ned vid användning, slits ner och tappar upplösning. I sådana fall, forskaren måste sedan avbryta skanningen och byta ut spetsen.

"För att sätta det i perspektiv, om du hade en dyr racerbil men du sätter cykeldäck på den, det skulle inte vara en bra bil, sa Lyding.

För att forma tips, forskare skjuter en ström av joner på spetsen. Materialet sprattlar av när jonerna kolliderar med spetsen, skära bort sonden. En dag i labbet, efter ännu ett tipsmisslyckande, Lyding hade det enkla, ny idé att applicera en matchande spänning på spetsen för att avleda de inkommande jonerna. När en spänning appliceras på ett vasst föremål, det elektriska fältet blir starkare när spetsen smalnar av. Därför, joner som närmar sig den skarpaste delen av den elektrifierade spetsen avleds mest.

"Detta gör att jonerna tar bort materialet runt den vassa delen, inte på den vassa delen i sig, och det gör det skarpare, sa Lyding. "Du bevarar poängen och skärper vad som finns runt den."

Lyding och doktorand Scott Schmucker köpte en billig jonpistol och testade Lydings idé. Det fungerade vackert. STM-spetsar med en startradie på 100 nanometer finslipades till en skarp 1-nanometerpunkt, ger extremt hög upplösning. Dessutom, förstoftningsprocessen fungerar med vilket elektriskt ledande material som helst.

Men när sonderna är extremt skarpa, vad gör att de inte slits lika snabbt som andra sonder? Lyding och Schmucker slog sig sedan ihop med U. of I. kemiprofessor Gregory Girolami och materialvetenskap och ingenjörsprofessor John Abelson, vars grupper hade demonstrerat beläggningar för kiselhalvledare gjorda av ett material som kallas hafniumdiborid. Beläggningarna är 10 gånger hårdare än den metall som vanligtvis används för att tillverka STM-spetsar, men är också metalliska – nyckelegenskapen för jonförstötningsprocessen.

Gruppen applicerade hafniumdiboridbeläggningarna på sina sonder, sprängde dem ytterligare, och fann att de resulterande sonderna är stabila, hållbara och utmärker sig i de typer av mikroskopi och mönstringstillämpningar för vilka sådana spetsar används.

"Ingen annan gör sonderingar med kombinationen av skarpa, hård och metallisk ledning, sa Lyding, som också är knuten till Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. of I. ”Du kan hitta den ena eller den andra men inte alla tre. Det finns en enorm efterfrågan på det."

Forskarna går nu för att kommersialisera sina tuffa, skarpa sonder. De fick patent och startade ett företag som heter Tiptek för att börja tillverka. De utökar också sin skärpningsteknik till att inkludera AFM-sonder såväl som STM, och utvecklar batch-bearbetningstekniker för högre genomströmning.

"När folk gör AFM-tips gör de dem på wafers, hundratals tips åt gången, sa Lyding. "Metodiken som vi utvecklar låter oss bearbeta hela denna wafer som en enhet så att alla 400 tips skulle göras samtidigt."

Office of Naval Research, Defense Advanced Research Project Agency och National Science Foundation stödde detta arbete.