La microscopie électronique a permis aux scientifiques de voir des atomes individuels, mais même à cette résolution tout n'est pas clair.

Les lentilles des microscopes électroniques présentent des imperfections intrinsèques appelées aberrations, et des correcteurs d'aberrations spéciaux - "comme des lunettes pour votre microscope, " a déclaré David Muller, le professeur d'ingénierie Samuel B. Eckert au Département de physique appliquée et d'ingénierie (AEP) - ont été développés au fil des ans pour corriger ces défauts.

Les correcteurs d'aberrations ne vont pas loin, cependant, et pour corriger de multiples aberrations, vous avez besoin d'un collecteur d'éléments correcteurs en constante expansion. C'est comme mettre des verres sur des verres sur des verres – cela devient un peu lourd.

Muller – avec Sol Gruner, le professeur de physique John L. Wetherill, et Veit Elser, professeur de physique - ont développé une méthode pour atteindre une résolution ultra-élevée sans avoir besoin de "lentilles correctrices" pour leur microscope.

Ils ont utilisé leur détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique développé par Cornell (EMPAD), qui a été introduit en mars 2017. Avec lui, ils ont réalisé ce que Muller, co-directeur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, dit est un record du monde pour la résolution d'image - dans ce cas en utilisant une monocouche (un atome d'épaisseur) de bisulfure de molybdène (MoS2).

Leur réalisation est rapportée dans "Electron Ptychography of 2-D Materials to Deep Sub-Ångström Resolution, " à paraître le 19 juillet dans La nature . Les co-auteurs principaux étaient Yi Jiang, doctorat '18 (physique) et Zhen Chen, chercheur postdoctoral dans le Groupe Muller.

Les longueurs d'onde des électrons sont plusieurs fois inférieures à celles de la lumière visible, mais les lentilles de microscope électronique ne sont pas aussi précises.

Typiquement, Muller a dit, la résolution d'un microscope électronique dépend en grande partie de l'ouverture numérique de la lentille. Dans un appareil photo basique, l'ouverture numérique est l'inverse du "nombre f" - plus le nombre est petit, meilleure est la résolution.

Dans un bon appareil photo, le plus petit nombre f ou "f-stop" peut être un peu inférieur à 2, mais "un microscope électronique a un nombre f d'environ 100, " a déclaré Muller. Les correcteurs d'aberrations peuvent ramener ce nombre à environ 40, dit-il – toujours pas génial.

La résolution de l'image en microscopie électronique a traditionnellement été améliorée en augmentant à la fois l'ouverture numérique de la lentille et l'énergie du faisceau d'électrons, qui fait pour le microscope ce que la lumière fait pour un appareil photo ou un microscope optique – illumine le sujet.

Les précédents records de résolution ont été obtenus avec une lentille à correction d'aberration et une énergie de faisceau ultra-élevée – 300 kiloélectronvolts (keV) – pour obtenir une résolution inférieure à celle d'ångström. Les liaisons atomiques font généralement entre 1 et 2 ångströms (Å) de long – un ångström mesure 0,1 nanomètre – donc une résolution inférieure à ångström permettrait de voir facilement les atomes individuels. Le groupe Muller a pu atteindre une résolution de 0,39 Å - un nouveau record du monde - et à un niveau inférieur, une énergie de faisceau moins dommageable où la résolution des seules lentilles à correction d'aberration était de 0,98 Å.

Le groupe de Muller a utilisé l'EMPAD et une technique connue sous le nom de ptychographie :lorsque le faisceau d'électrons balaye l'échantillon, le détecteur recueille à la fois les distributions de position complète et de quantité de mouvement des électrons diffusés par étapes qui se chevauchent. L'image est reconstruite à partir de l'ensemble de données en 4 dimensions résultant.

Le groupe a utilisé une énergie de faisceau de seulement 80 keV afin de ne pas détruire le MoS2. Malgré l'énergie des feux de croisement, la résolution en utilisant EMPAD est si bonne, le microscope est capable de détecter avec une clarté surprenante un atome de soufre manquant - "un défaut dans le réseau, " a déclaré Gruner - dans un matériau 2-D. "C'est étonnant pour moi, " il a dit.

Avec une capacité de résolution inférieure à la plus petite liaison atomique, un nouvel objet de test pour la méthode EMPAD était nécessaire. Yimo Han, Doctorat '18, et Pratiti Deb '16, du groupe de Muller, empilé deux feuilles de MoS2, une feuille légèrement de travers, de sorte que les atomes des deux feuilles étaient visibles à des distances allant d'une longueur de liaison complète les uns aux autres jusqu'à se trouver l'un sur l'autre. "C'est essentiellement le plus petit souverain du monde, " dit Gruner.

L'EMPAD, qui a été modernisé sur des microscopes à travers le campus, peut enregistrer une large gamme d'intensités - de la détection d'un seul électron à des faisceaux intenses contenant des centaines de milliers, voire un million d'électrons.

"L'analogie que j'aime utiliser est, une voiture vient vers toi la nuit, " dit Gruner. " Et tu regardes les lumières venir vers toi, et vous êtes capable de lire la plaque d'immatriculation entre eux sans être aveuglé."