Физики разработали «однокадровый» метод трехмерной просвечивающей микроскопии

Ученые разработали новую методику получения трехмерных изображений нанообъектов с помощью просвечивающей электронной микроскопии. В отличие от используемых ранее вариантов электронной томографии, новый подход не требует изменять наклон образца и позволяет получать изображение «одним кадром». Работа опубликована в Scientific Reports.

Для получения трехмерных изображений с помощью просвечивающей электронной микроскопии сейчас обычно используется метод электронной томографии. При использовании такого подхода изображение формируется из серии двумерных изображений, полученных с одного образца, который наклоняется по отношению к электронному пучку под разными углами. Основной недостаток метода состоит в том, что получение одного изображения состоит из нескольких десятков измерений, и невозможно, например, исследовать сложный нанообъект, форма и свойства которого быстро изменяется со временем. Недавно учеными был предложен так называемый метод «четырехмерной электронной микроскопии», в котором электронный пучок совмещается с лазерным, и в отличие от стандартной электронной микроскопии формируется он за счет фотоэлектрического эффекта отдельными короткими импульсами. С помощью анализа дифракции электронного пучка, используя такой метод, можно получить квазитрехмерное изображение в зависимости от времени. Метод позволяет исследовать динамику отдельных наночастиц, но тоже не дает возможность получать криволинейных трехмерных объектов с атомарным разрешением.

В новой работе физики из Швейцарии разработали новый подход к просвечивающей электронной микроскопии, которая позволяет получить трехмерное изображение нанообъектов без необходимости наклона образца. Это дает возможность изучить конфигурацию сложных трехмерных нанообъектов (например, криволинейных дислокаций или распределение атомов примеси внутри образца) и изучить динамику их изменения.

Предложенный учеными метод основан на следующем принципе. За счет системы фокусирующих магнитных линз попадающий на образец пучок электронов в электронном микроскопе имеет форму сходящегося конуса с углом схождения порядка нескольких десятков миллирадиан. В результате этого в задней фокальной плоскости объектива формируется картина электронной дифракции. В своей работе физики использовали тот факт, что падающий на образец сходящийся пучок электронов можно рассматривать как состоящий из параллельных лучей с разными углами освещения образца. При таком рассмотрении можно видеть, что каждое положение в образующемся за образцом дифракционном диске соответствует конкретному направлению электронного пучка перед образцом. Таким образом, выбор различных областей дифракционного диска яркого поля для последующего анализа соответсвуют «взгляду» на образец с немного разных сторон.

Используя несколько изображений с разных участков дифракционного диска яркого поля, можно получить трехмерное изображение нанообъекта без необходимости наклона образца. Кроме этого, использование предложенного подхода позволяет значительно сократить время получения изображения (и время воздействия электронного пучка на образец, что часто не менее важно). В своей работе ученые также описывают алгоритм, специально разработанный для получения из таких изображений общей трехмерной картины исследуемого объекта.

Для проверки применимости предложенного метода физики получили с помощью него трехмерное изображение дислокаций в кристаллическом слое GaN. Результаты сравнили с изображениями, полученными традиционной электронной томографией, при которой угол наклона изменяли от -25 до 25 градусов с шагом в один градус.

Оказалось, что новый метод не только дает возможность быстрее получить трехмерное изображение криволинейных дислокаций, но и позволяет избежать длительного воздействия электронного пучка на образец, которое приводит к его частичному разрушению. Ученые утверждают, что предложенный ими метод позволит исследовать в реальном времени трехмерную структуру нанообъектов со сложной конфигурацией, в том числе биомолекул, например, ДНК.

Последние годы все больше исследований посвящено разработкам методов использования электронной микроскопии для изучения динамики быстрых процессов на атомарном уровне. Так, в прошлом году с помощью фемтосекундной микроскопии смогли измерить изменения магнитного поля внутри металла при воздействии терагерцового излучения. А совсем недавно с помощью четырехмерной электронной микроскопии ученым удалось изучить сверхбыструю диффузию броуновских частиц.

Александр Дубов