L'utilisation d'un capteur de détection directe en conjonction avec la spectroscopie de perte d'électrons permet aux chercheurs d'avoir un aperçu plus précis de la composition chimique et de la structure des matériaux. Crédit :Université Drexel
À leur cœur, les microscopes électroniques fonctionnent un peu comme les projecteurs de cinéma. Un faisceau très puissant traverse un matériau et projette quelque chose - généralement quelque chose que nous voulons vraiment voir - sur un écran de l'autre côté. Avec la plupart des microscopes électroniques, cependant, capturer des données, c'est comme essayer de projeter un film sur un écran sale qui est trop petit pour voir toute la projection. Mais une nouvelle technologie de caméra, testé par des chercheurs de l'Université Drexel, permet aux microscopes de présenter une image plus claire, regard plus complet et détaillé sur leur présentation vedette.
A l'aide d'une caméra de détection directe et d'un filtre d'image, le groupe a découvert qu'il peut obtenir une image plus précise de la structure et de la composition chimiques, et d'obtenir ces données assez rapidement. Il est également suffisamment sensible pour faire fonctionner le microscope d'une manière qui permet aux scientifiques d'étudier les fragiles, échantillons biologiques sans les endommager. Drexel est le premier à combiner l'utilisation de ces technologies pour offrir aux chercheurs un examiner clairement les mécanismes qui sous-tendent les réactions chimiques et physiques presque aussi rapidement qu'elles se produisent.
L'équipe, dirigé par Mitra Taheri, Doctorat, Hoeganaes professeur agrégé au Drexel's College of Engineering et directeur du groupe de caractérisation dynamique du département de science et génie des matériaux, a récemment publié les résultats d'un test côte à côte d'une caméra de détection directe nouvellement développée et d'une caméra de détection indirecte conventionnelle, tous deux développés par Gatan. Leur article dans le journal Rapports scientifiques sur la nature , suggère que l'application d'un capteur de détection directe à la spectroscopie de perte d'énergie électronique standard (EELS) améliorera considérablement la capacité des scientifiques à étudier la structure et la chimie des matériaux au niveau du nanomètre
« EELS est une technique populaire qui existe depuis un certain temps, cependant, le bruit présent dans EELS est un problème majeur, " selon Jamie Hart, doctorant et co-auteur de l'article. "En appliquant la détection directe à EELS, nous pouvons réduire considérablement le bruit expérimental, qui s'améliorera par rapport à l'observation en temps réel des processus dynamiques, tels que le suivi du mouvement des ions lithium dans les batteries Li-ion, et il facilitera l'étude des matériaux sensibles, comme la matière biologique."
A l'aide d'une caméra à détection directe avec filtre d'image, Les chercheurs de Drexel sont capables d'obtenir rapidement et clairement des données sur la composition chimique et la structure de choses comme les nanoparticules (illustrées ici). Crédit :Université Drexel
En réalité, toute comparaison entre un microscope électronique et un projecteur de cinéma se termine essentiellement par le bouton « on ». Plutôt que de pousser la lumière à travers le film, les microscopes électroniques projettent un faisceau d'électrons chargés à travers l'échantillon étudié. Ils traversent la matière et sont enregistrés par une caméra. L'interprétation par la caméra du voyage des électrons peut en dire beaucoup aux chercheurs sur le matériau. Certains électrons traversent le matériau comme s'il n'y était même pas. Certains passent mais changent de direction. D'autres passent mais se déplacent désormais à une vitesse différente. Tous ces comportements donnent aux chercheurs des indices sur la composition chimique et la structure intérieure du matériau.
L'ajout d'une caméra plus sophistiquée à un microscope peut donc faire une grande différence dans les données que les chercheurs peuvent glaner.
Le labo de Taheri est le premier à utiliser ce type de caméra, une caméra à détection directe Gatan K2, avec un microscope de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) - un type qui tire ses conclusions sur un échantillon en mesurant la quantité d'énergie que les électrons perdent lorsqu'ils le traversent. La technologie EELS est généralement utilisée par les chercheurs qui tentent de déterminer quels éléments sont présents dans un échantillon ou la structure chimique d'un élément donné. Mais en ajoutant la caméra de détection directe au système, L'équipe de Drexel peut à la fois déterminer quels éléments sont présents et comprendre la liaison chimique de chacun.
"La détection directe fournit des données de résolution d'énergie plus élevée, qui nous aide à comprendre comment les atomes sont liés entre eux, et il fournit un plus grand champ de vision énergétique, nous permettant de voir plus d'éléments à la fois, " a dit Hart.
Les chercheurs pourront utiliser la technologie de détection directe avec spectroscopie de perte d'électrons pour étudier une variété de matériaux, y compris les échantillons biologiques comme les virus et les bactéries, et des matériaux en cours de développement pour les composants informatiques, stockage d'énergie et blindage électromagnétique. Crédit :Université Drexel
La haute sensibilité de la nouvelle caméra signifie qu'elle peut sonder un matériau plus doucement, l'exposer à une plus faible dose d'électrons, que d'autres microscopes qui projettent un faisceau plus puissant à travers l'échantillon. À cause de ce, il peut être utilisé pour étudier des échantillons plus fragiles comme les virus et les bactéries.
"L'utilisation du capteur de détection directe à faible bruit réduira fondamentalement le nombre d'électrons nécessaires à l'analyse d'un facteur de 2 à 5, pour les échantillons biologiques qui sont facilement détruits sous le faisceau d'électrons, cela fait une grande différence. Aussi, si nous voulons voir une réaction rapide, cela nous permet d'atteindre des fréquences d'images plus élevées", a déclaré Hart.
Pour que ça marche, Gatan a dû développer sa propre interface logicielle avec EELS et un protocole pour l'exploiter - ce qui n'est pas une mince affaire étant donné que l'appareil capture jusqu'à 1, 600 images par seconde, ce qui équivaut à environ 2 gigaoctets de données, et est si chaud qu'il a besoin d'une circulation constante d'eau pour le garder au frais.
"L'un des plus grands défis de la collecte de données à haute fréquence d'images est le stockage et le traitement. Au minimum du K2, il génère 400 images par seconde, chacun fait 16 millions de pixels, et que tout s'additionne, " dit Andrew Lang, un chercheur doctorant dans le laboratoire de Taheri. "Notre rack de serveur peut gérer plus de 3 gigaoctets par seconde de données avec certaines des baies de disques SSD les plus rapides disponibles aujourd'hui."
Mais tous ces efforts en valent la peine, selon l'équipe, quand vous pouvez collecter une résolution plus élevée, des données plus propres en moins de temps qu'avec un appareil photo conventionnel. L'équipe utilise actuellement le K2 pour examiner les matériaux en cours de développement pour les composants informatiques, stockage d'énergie et blindage électromagnétique, et ils suggèrent qu'il pourrait également être utilisé pour étudier les virus et les bactéries.
