Электронный микроскоп является одним из самых мощных видов инструментов, используемых в самых различных областях науки и техники. А благодаря работе ученых из Корнуэльского университета, которые создали принципиально новый датчик EMPAD (electron microscope pixel array detector), электронный микроскоп стал еще более мощным и универсальным инструментом. Ведь этот датчик позволяет не только получать высококачественные изображения, он позволяет «вынуть» из потока электронов более богатую информацию, в которой содержатся подробные данные о внутренней структуре исследуемого образца.

«При помощи нового датчика мы можем извлечь информацию об внутренних напряжениях, об углах наклона и вращения атомов, полярности внутренних электрических и магнитных полей в материале» – рассказывает профессор Дэвид Мюллер (David Muller), группа которого, совместно с группой профессора Сола Грунера (Sol Gruner), разработала и создала опытные образцы датчиков EMPAD.

В обычном растровом электронном микроскопе (scanning transmission electron microscope, STEM) сфокусированный луч электронов сканирует линия за линией исследуемый образец. Датчик, установленный снизу образца, считывает интенсивность луча электронов, которая изменяется из-за взаимодействия этих электронов с атомами материала. И на основе этих данных компьютер составляет изображение внутренней структуры образца.

Датчик EMPAD, который устанавливается на место обычного датчика, содержит матрицу 128 на 128 квадратных пикселей, размером 150 микронов каждый. Эти пиксели соединены с электронной схемой, которая выполняет предварительную обработку сигналов. С этой точки зрения датчик EMPAD практически аналогичен датчикам цифровых камер. Но, кроме интенсивности потока электронов, датчик EMPAD способен регистрировать угол их падения на поверхность каждого пикселя. В этих данных «закопана» масса дополнительной информации, которая может быть получена при помощи технологий и алгоритмов, разработанных изначально для установки рентгеновской кристаллографии Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), при помощи которой в свое время производились исследования строения атома.

Комбинация сфокусированного особым образом луча электронов с новым датчиком позволяет исследователям создавать четырех- и пятимерные «карты» интенсивности, угла падения, положения и импульса электронов, прошедших через материал образца. Последующая обработка полученных данных позволяют воспроизвести не только внутренне строение материала до атомарного уровня, но и определить все силы, возникающие и действующие внутри материала. Это становится возможным благодаря высокой скорости работы датчика и его невероятной чувствительности, которая позволяет ему регистрировать как единичные электроны, так и поток, состоящий из миллионов электронов в единицу времени.

Время получения одного изображения датчиком EMPAD не превышает одной миллисекунды. «Этот датчик имеет в 1000 раз больший динамический диапазон и в 100 раз большую скорость работы, нежели традиционные датчики для электронных микроскопов» – рассказывает Дэвид Мюллер.

В настоящее время первый опытный образец датчика EMPAD проходит испытания в дополнительном гнезде одного из самых современных электронных микроскопов производства компании FEI, который находится в Центре исследований материалов (Center for Materials Research) Корнуэльского университета. Кроме этого, лицензия на использование этой технологии уже передана компании FEI, которая является одним из ведущих мировых производителей электронных микроскопов, и специалисты которой доведут данное изобретение до уровня законченного устройства, которое можно будет использовать в новых микроскопах и для модернизации уже существующих электронных микроскопов.