Deel dit artikel

met de nieuwste generatie elektronenmicroscopen kunnen nooit eerder geziene details van materialen in beeld worden gebracht. zij nemen niet alleen individuele atomen waar, tegelijk verschaffen ze ook chemische en elektronische informatie over het onderzochte materiaal. naast de tweedimensionale structuur wordt nu ook de driedimensionale structuur ontrafeld. de elektronenmicroscoop is meer dan een ultiem vergrootglas: hij evolueert naar een ‘nanolab’ in de microscoop.

Meer zien met onzichtbaar licht

Sandra van Aert

De elektronenmicroscoop werd aan het begin van de twintigste eeuw ontwikkeld omwille van fysische beperkingen in de lichtmicroscopie. Net zoals het oog heeft elk optisch instrument een beperkt scheidend vermogen. Dit komt overeen met de kortste afstand tussen twee punten die nog net als gescheiden worden waargenomen. Punten die dichter bij elkaar liggen, worden gepercipieerd als een wazige vlek. Het scheidend vermogen van onze ogen is ongeveer gelijk aan 0.2 mm. Bij een moderne lichtmicroscoop is dit ongeveer 200 nm, wat overeenkomt met 0.0002 mm. Ondanks die verbetering met een factor 1000 is het voor de lichtmicroscoop toch nog onmogelijk om heel kleine objecten, zoals ribosomen, eiwitten of atomen, waar te nemen. Tijdens de voortdurende pogingen om de lichtmicroscoop te verbeteren ontdekte men dat het scheidend vermogen niet alleen wordt beperkt door de kwaliteit van de lenzen, maar ook door fysische beperkingen die worden opgelegd door de aard van de straling. Hoewel men de beste lenzen gebruikte, werd het scheidend vermogen niet beter dan ongeveer de halve golflengte van het licht. Daarom werd gezocht naar een alternatieve bron die straling produceert met een kortere golflengte dan die van zichtbaar licht.

Een vernuftig idee kwam in 1924 van de Franse fysicus Louis de Broglie. Hij toonde aan dat elektronen die in vacuüm worden versneld een golflengte hebben die ongeveer 100 000 keer kleiner is dan die van zichtbaar licht. Hierdoor is het in principe mogelijk om met elektronen individuele atomen waar te nemen. De vraag was nog hoe men met behulp van elektronen beelden kon vormen. Het antwoord werd geleverd in 1931 door Ernst Ruska en Max Knoll, die de eerste elektronenlens bouwden. De lens bestond uit spoelen, waarin men later weekijzeren poolschoenen aanbracht en die een magnetisch veld produceerden wanneer men er stroom doorheen stuurde. Met die lens kon men een bundel elektronen focusseren, zoals een vergrootglas dat met licht doet. Door een aantal van die elektronenlenzen in serie te plaatsen, werd het bestaan van de elektronenmicroscoop een feit. Met dit instrument, dat tegenwoordig als transmissie-elektronenmicroscoop wordt aangeduid, worden dunne, voor elektronen transparante objecten bestudeerd. De doorgelaten elektronen worden vervolgens met lenzen afgebeeld op een fotografisch of een fluorescerend scherm. In 1933 bereikte de elektronenmicroscoop een scheidend vermogen dat dit van de lichtmicroscoop overtrof.

Het scheidend vermogen wordt steeds beter waardoor steeds kleinere details kunnen worden waargenomen

In de loop der jaren heeft de elektronenmicroscoop een enorme evolutie gekend. Zijn huidige belangstelling dankt hij aan ontwikkelingen op meerdere vlakken. Het scheidend vermogen wordt steeds beter waardoor steeds kleinere details kunnen worden waargenomen. Voorts heeft het instrumentarium in en rond de microscoop zich steeds verder uitgebreid, waardoor materialen niet alleen structureel kunnen worden geanalyseerd, maar ook chemisch en elektronisch. Bovendien kunnen processen, zoals verwarmen, koelen of vervormen, worden waargenomen terwijl ze aan de gang zijn. Tot voor kort kon alleen de tweedimensionale, geprojecteerde structuur van materialen worden afgebeeld. Een nieuwe, veelbelovende techniek, namelijk de elektronentomografie, maakt het mogelijk om de driedimensionale structuur van materialen te visualiseren. Van de toekomstige elektronenmicroscopie wordt verwacht dat experimentele waarnemingen niet alleen visueel, maar ook kwantitatief zullen worden geïnterpreteerd. Wat houden die recente verwezenlijkingen, huidige ontwikkelingen en te verwachten evoluties dan in?

Daar waar het scheidend vermogen van een lichtmicroscoop van dezelfde ordegrootte is als de golflengte van het gebruikte licht, heeft de elektronenmicroscoop die fysische grens nog lang niet bereikt. Het scheidend vermogen van een elektronenmicroscoop is bijna een factor 100 groter dan de golflengte van de versnelde elektronen. Dit valt toe te schrijven aan onvermijdelijke lenzenfouten in de elektronenmicroscoop, waarbij sferische aberratie de voornaamste is. Als gevolg hiervan komen stralen afkomstig van eenzelfde punt na de lens niet in één punt bij elkaar. Zoals de naam aangeeft, wordt sferische aberratie veroorzaakt door de ronde vorm van lenzen, zoals elektronenlenzen. In een lichtmicroscoop kan sferische aberratie worden gecorrigeerd door niet-sferische glaslenzen te slijpen of door positieve en negatieve glaslenzen te combineren. Lange tijd werd gedacht dat dit voor de elektronenmicroscopie onmogelijk zou zijn, tot Harold Rose voorstelde het lensdesign aan te passen zodat niet-sferische magnetische velden worden gegenereerd. Dit idee wordt in de nieuwste generatie elektronenmicroscopen met hogeresolutietransmissie succesvol toegepast en maakt het mogelijk om details die kleiner zijn dan 0.08 nm waar te nemen. Naast die hardware-oplossing bestaat er ook een goedkopere, software-oplossing. Door middel van een reconstructiealgoritme, dat ontwikkeld werd rond 1990 en bekendstaat als de focusvariatietechniek, is het eveneens mogelijk om beelden te compenseren voor sferische aberratie. Dankzij de sferische-aberratiecorrectie is het nu mogelijk om de atomaire structuur van materialen direct waar te nemen. Bovendien kunnen naast zware elementen ook lichte, niet-metallische elementen zoals koolstof, stikstof of zuurstof met een scheidend vermogen van de orde van 0.1 nm worden gevisualiseerd. Verder laat de sferische-aberratiecorrectie toe om het grensvlak tussen twee materialen haarscherp af te beelden. Atomaire interacties aan grensvlakken spelen een belangrijke rol bij technologisch interessante componenten zoals in dunne lagen of multilagen.

Met behulp van een spectrometer kan men meten hoeveel elektronen een bepaald energieverlies hebben ondergaan

In een transmissie-elektronenmicroscoop die uitgerust is met een spectrometer kan naast informatie over de atomaire structuur ook chemische en elektronische informatie over een materiaal worden verkregen. De techniek die hiervoor wordt gebruikt, is de elektronenenergieverlies-spectroscopie. Met behulp van een spectrometer meet men de overgebleven energie van de elektronen na doorgang door het te bestuderen materiaal. Als een elektron door een materiaal wordt geschoten, vinden er verschillende interacties plaats. Een groot deel van de invallende elektronen zal het materiaal verlaten zonder dat er enige vorm van interactie heeft plaatsgevonden. Dit komt omdat alleen dunne objecten worden bekeken. Andere elektronen worden verstrooid in het materiaal zonder verlies van energie en kunnen worden gebruikt om een beeld mee te vormen. Nog andere elektronen staan energie af aan het materiaal en houden hierdoor zelf minder energie over. Met behulp van een spectrometer kan men meten hoeveel elektronen een bepaald energieverlies hebben ondergaan. Het zo gevormde spectrum kan ons de identiteit vertellen van de atomen waarmee de elektronen interactie hebben ondergaan. Voor elk atoom is het immers bekend hoeveel energie nodig is om een elektron uit zijn elektronenschil te stoten en dus te ioniseren. Naast het identificeren van de atomen kan men uit het spectrum ook informatie afleiden over onder andere de chemische bindingstoestand, de bandenstructuur en de elektronentoestanddichtheid. Die elektronische informatie is bijvoorbeeld van belang bij het ontwikkelen van nog betere en kleinere chips. Zulke chips zijn vaak een legering van silicium en germanium, beide halfgeleiders. Germanium is een betere halfgeleider dan silicium, maar heeft als nadeel dat het slecht tegen warmte kan. Daardoor is het in zijn pure vorm niet geschikt voor het gebruik in computerprocessors. Door een legering te maken van silicium en germanium wordt dit warmteprobleem voor een groot deel opgeheven en kunnen de voordelen van beide elementen worden benut. In de zoektocht naar de optimale verhouding tussen silicium en germanium is elektronische informatie van belang. Hoewel een verandering in verhouding een enorme invloed kan hebben op de geleidingseigenschappen, zijn er alleen subtiele verschillen te verwachten in experimentele spectra. Om die verschillen in kaart te brengen zou een scheidend vermogen van minder dan 0.1 eV nodig zijn, wat met de huidige technologieën kan worden behaald.

Hoewel de elektronenmicroscoop voornamelijk wordt beschouwd als het ultieme vergrootglas, evolueert hij geleidelijk aan naar een ‘nanolab’ in de microscoop. Met de huidige technieken kunnen beelden heel snel achter elkaar worden opgenomen waardoor dynamische processen kunnen worden bestudeerd. Veranderingen in de atomaire of elektronische structuur ten gevolge van welbewuste acties zoals vervormen of ten gevolge van niet te controleren processen zoals bundelschade kunnen worden waargenomen. Zulke in-situexperimenten zijn ideaal voor het bestuderen van geheugenlegeringen waarbij overgangen tussen twee kristalstructuren kunnen worden waargenomen bij verwarmen, koelen of vervormen. Die microscopische veranderingen tracht men te correleren met de macroscopische eigenschappen. Op macroscopische schaal zal een geheugenlegering, als zij verbogen wordt, haar originele vorm opnieuw aannemen bij verwarming. Een toepassing hiervan wordt teruggevonden in de cardiovasculaire geneeskunde waar zogenoemde stents worden gebruikt om vernauwde aders opnieuw te verwijden. Die stents zijn geheugenlegeringen in de vorm van kleine ‘veertjes’ die in de ader worden geplaatst en zich ontplooien als ze verwarmd worden tot lichaamstemperatuur. In-situelektronenmicroscopie kan ook worden gebruikt om kristalgroei te bestuderen, om live bewegingen van atomen waar te nemen of om biologische processen zeer realistisch te volgen. Verwacht wordt dat het arsenaal aan mogelijkheden voor in-situelektronenmicroscopie de komende jaren verder zal uitgroeien zodat interessante, reallife-experimenten in real time kunnen worden waargenomen op atomair niveau.

Binnen de biologie en de nanotechnologie wordt de vraag naar driedimensionale structuurinformatie steeds groter

De tot hiertoe beschouwde technieken binnen de elektronenmicroscopie geven slechts tweedimensionale informatie over de geprojecteerde structuur van het beschouwde materiaal. Binnen de biologie en de nanotechnologie wordt de vraag naar driedimensionale structuurinformatie echter steeds groter. Elektronentomografie biedt hier de oplossing. Tomografie is een techniek waarmee de driedimensionale structuur wordt gereconstrueerd uit een serie van tweedimensionale beelden, die verkregen worden door het materiaal te roteren om een rotatieas. Het scheidend vermogen van elektronentomografie laat toe om deeltjes met een grootte in het nanometergebied te visualiseren. Dit wil men verder verbeteren zodat individuele atomen in drie dimensies kunnen worden waargenomen. Aanvankelijk werd elektronentomografie alleen toegepast bij biologisch onderzoek om materialen zoals virussen, eiwitten en macromoleculen te reconstrueren. Een groot voordeel hiervan is dat men de inwendige structuur van de materialen kan visualiseren. Voornamelijk bij biologisch onderzoek moet men erop letten dat de te onderzoeken materialen niet worden beschadigd door het elektronenbombardement tijdens de opname van de beelden. Daarom worden ze afgekoeld tot beneden -160ºC door middel van een cryotechniek, waarbij vloeibare stikstof wordt gebruikt. Recent onderzoek toont aan dat cryo-elektronentomografie toelaat om de inwendige structuur van zogenaamde magnetotactische bacteriën te visualiseren. Die bacteriën bevatten zogenaamde magnetosomen, bestaande uit ijzerverbindingen, waardoor ze zich in het water kunnen oriënteren op basis van het magnetische veld van de aarde. Uit dit onderzoek is gebleken dat een lange ketting van magnetosomen wordt gevormd zodat als het ware één grote magneet ontstaat. Die fungeert als kompas en wijst de weg naar diepere, zuurstofarme gebieden, waar de leefomstandigheden voor die bacteriën gunstiger zijn. Gaandeweg is elektronentomografie ook nuttig gebleken bij anorganisch materiaalonderzoek. We kunnen dit illustreren met een voorbeeld uit de katalyse, de technologie die het mogelijk maakt om chemische processen te versnellen of te vertragen met een katalysator. De katalysator is dan bijvoorbeeld een nanodeeltje en de katalytische processen doen zich voor aan het oppervlak van dit deeltje. Om betere katalysatoren te ontwikkelen is het van fundamenteel belang om zoveel mogelijk actieve centra aan de nanodeeltjes te creëren. Elektronentomografie speelt in dit onderzoek een belangrijke rol omdat hiermee de morfologie en de oppervlakte-volumeverhouding van het deeltje kan worden bepaald.

Hoewel de tendens om het scheidend vermogen steeds verder te willen verbeteren blijft bestaan, kan men zich terecht de vraag stellen waarom de interpretatie van zowel beelden als spectra niet kwantitatief gebeurt, zoals bijvoorbeeld bij x-stralendiffractie. Van de elektronenmicroscopie van de toekomst wordt verwacht dat ze precieze, numerieke waarden levert voor de relevante structuurparameters zoals atoomposities, atoomtypen en locaties van spectrale pieken. Voor heel wat materialen veranderen de eigenschappen wanneer atomen worden verplaatst over een afstand van de orde van 0.001 nm. Dit betekent dat men de posities van atomen moet kunnen meten met een precisie van de orde van 0.001 nm, maar liefst 100 keer beter dan het scheidend vermogen dat met de beste microscopen kan worden behaald. Om die precisie te bereiken dient een beeld of spectrum te worden beschouwd als een experimentele dataset waaruit structuurparameters worden gemeten. Hiervoor wordt gebruikgemaakt van een fysisch model waarmee beelden of spectra kunnen worden gesimuleerd. Vervolgens wordt op een kwantitatieve manier gezocht naar de structuurparameters van dit model waarvoor de overeenkomst tussen de gesimuleerde en experimentele beelden het beste is. Precieze structuurbepaling is van belang om, door vergelijking met theoretische berekeningen, de relatie tussen de structuur en de eigenschappen van materialen volledig te kunnen begrijpen. In combinatie met recente ontwikkelingen in de nanotechnologie, waarbij het mogelijk is materialen te maken met vooraf gekozen atomaire structuur, is een evolutie naar materiaalontwerp niet ondenkbaar. Met andere woorden, materialen met interessante eigenschappen zullen kunnen worden voorspeld en geproduceerd. Dankzij huidige ontwikkelingen kunnen structuurparameters met hoge precisie worden bepaald uit experimentele beelden of spectra. Bovendien toont een recente publicatie in Letters to Nature aan dat nieuwe complexe structuren kunnen worden bepaald door het combineren van data verkregen met behulp van x-stralendiffractie en hogeresolutietransmissie-elektronenmicroscopie. Daar waar beide technieken lang als competitief beschouwd werden, vullen zij elkaar in dit onderzoek verder aan. Men mag verwachten dat in de komende decennia de evolutie van visuele naar kwantitatieve interpretatie van het experiment zich zal voortzetten. ‘Door meten tot weten’, het aloude motto van de fysicus Kamerlingh Onnes (1853-1926), is in de eenentwintigste eeuw ook in de elektronenmicroscopie opnieuw actueel.

Letters to Nature, vol 444/2, november 2006.

Sandra van Aert is als fysicus verbonden aan de Universiteit Antwerpen.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen