Brněnští vědci vylepšují unikátní mikroskop

LiteScope umí jako jeden z mála systémů na světě s velkou přesností současně propojit dvourozměrný obraz z elektronového mikroskopu a trojrozměrný obraz z mikroskopu atomárních sil. Dvourozměrný obraz z mikroskopu zajišťuje svazek elektronů a detektory, trojrozměrný obraz zase rastrovací sonda. Teď zařízení jeho tvůrci chtějí přidat další nej, a z rastrovací sondy plánují udělat nástroj, který umožní se vzorkem přímo pracovat, při zachování původního konceptu, který by se dal s nadsázkou popsat jako „vše v jedné krabičce“. Ve společném projektu jim s vývojem pomůžou hned tři brněnská akademická pracoviště: Ústav fyzikálního inženýrství z FSI VUT, Ústav fyziky materiálů a Ústav přístrojové techniky AV ČR.

„Elektronové mikroskopy pracují s proudem elektronů ve vakuu, aby svazek mohl doletět až ke vzorku a nesrážely se nám elektrony s atomy a molekulami ve zbytkové atmosféře. Máme tedy k dispozici velice čisté prostředí, kde můžeme studovat povrchy vzorků až na atomární úrovni. Představte si například monokrystal křemíku, z něhož se dělají čipy, to je velice čistá a uspořádaná struktura. Jakmile by se rozlomil na vzduchu, během miliontin sekundy se na původně čistém povrchu vlivem vnější atmosféry vytvoří „špinavá“ vrstva adsorbovaných molekul z okolního vzduchu. Pokud tedy chceme sledovat, co se děje na atomární úrovni na čistém povrchu, musíme zajistit, aby nad ním nebyla žádná atmosféra, musíme s ním pracovat v takzvaném ultra-vysokém vakuu,“ vysvětluje Jiří Spousta z Ústavu fyzikálního inženýrství FSI VUT v Brně.



Ve vakuu využívá LiteScope rastrovací sondu, a právě tu čeká vylepšení. Vědci hodlají využít běžně dostupná dutá optická vlákna, která mohou vést světlo, kolem jejichž středu jsou po celé délce vlákna mikropóry, jimiž je možné vést např. pracovní plyn. Sonda tak bude nejen detektorem, ale i nástrojem, kterým lze na zkoumaný vzorek přivést světlo, plyn nebo napětí, a díky tomu se vzorkem pracovat ve velmi malém měřítku. Co možná nezní příliš složitě se ale komplikuje v okamžiku, kdy si uvědomíme, v jakých velikostech se pohybujeme: „Nanostruktury, které zkoumáme a vyrábíme, jsou nesmírně malé. Sondy mají tak ostré hroty, že jejich špičku tvoří pouze desítky až stovky atomů. Když si představíte, že na takovouto nanostrukturu spadne vlas, byl by poměr velikosti mezi ní a vlasem stejný, jako kdyby na váš vlas spadl dub o průměru jeden metr,“ přibližuje Spousta pro laiky těžko představitelné měřítko.

Další inovací je zařízení na tzv. in-situ (tedy uvnitř mikroskopu) zatěžování, které umožní mechanicky zatěžovat kovové vzorky ve vakuové komoře elektronového mikroskopu a zároveň detailně pozorovat mechanismus šíření trhlin, které na vzorku vznikají. Vývoj probíhá ve spolupráci s Ústavem fyziky materiálů AV ČR a v budoucnu umožní detailně studovat počáteční fáze vzniku a šíření únavových trhlin a získat cenná data pro numerické simulace a metodiky, které se užívají při stanovení životnosti kritických součástí např. v automobilovém či energetickém průmyslu.



Další zdokonalení zařízení LiteScope přinese vývoj speciálních kalibračních vzorků, vytvořených za pomoci litografických technik. Takto vytvořené testovací preparáty, postavené na bázi binárních a trojrozměrných nanostruktur umožní garantovat správnost rozměrů jak v oblasti klasické mikroskopie, tak v oblasti tzv. korelativní mikroskopie, založené na souvztažnosti informací získaných elektronovou a sondovou rastrovací mikroskopií, kde se ostrý hrot pohybuje nad povrchem vzorku a rastruje. „Samotným hrotem se budeme zabývat také a plánujeme využívat jevu kvantového tunelování v podmínkách ultra-vysokého vakua, což je úroveň vakua srovnatelná s tou na povrchu Měsíce. S jeho využitím budeme měřit charakteristiky hrotů různých výrobců tak, aby bylo možno zlepšit rozlišení zařízení a snížit úroveň šumu,“ doplňuje Alexandr Knápek z Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR.