Nieuwe microscoop geeft unieke blik op atomaire structuur van materialen

Een nieuwe transmissie elektronenmicroscoop (TEM) stelt RUG-onderzoekers in staat de structuur van materialen te bestuderen op een manier die nog niet eerder mogelijk was. De microscoop kan onder meer in één beeld zowel zware als zeer lichte atomen vangen. Het apparaat is vooral bedoeld voor de Groningse onderzoeksinstituten Zernike Institute for Advanced materials (ZIAM) en CogniGron, maar ook biologen kunnen er hun voordeel mee doen.

De vier meter hoge microscoop staat in een klimaat-gecontroleerde kamer in de kelder van Nijenborgh 4 op de Zernike Campus. “Dit was de enige ruimte die hoog genoeg was”, zegt Bart Kooi, RUG-hoogleraar Nanostructured Materials and Interfaces en de man die verantwoordelijk is voor het nieuwe instrument.

De microscoop zit verborgen achter witte panelen en is op afstand te bedienen. “In de ruimte hiernaast zit een controlekamer, maar we kunnen hem ook vanaf de andere kant van het gebouw aansturen.” Nadat de monsters in de microscoop zijn geplaatst moet het systeem een tijdje tot rust komen: het bestuderen van materie op atomair niveau vraagt om een zeer stabiele omgeving

Elektronenmicroscopen bestaan al tientallen jaren. Om een afbeelding te maken gebruiken ze een elektronenbundel in plaats van licht. Het monster beïnvloedt de baan van de elektronen in de bundel. Detectoren registeren die veranderingen en dit signaal wordt vertaald in een structuur. In plaats van gewone optische lenzen gebruiken deze microscopen elektromagnetische lenzen om de bundel scherp te stellen op het monster en om afwijkingen (abberaties) in het beeld te corrigeren. “En deze microscoop is de eerste in zijn soort met een dubbele abberatie corrector, waardoor de resolutie veel beter is”, legt Kooi uit.

Atomen in dunne monsters

Met deze microscoop kunnen wetenschappers de atomen in dunne monsters zien. Atomaire resolutie is niet nieuwe, maar dit instrument is de eerste die verschillende mogelijkheden combineert. Hij kan beelden produceren van lichte atomen als zuurstof en zelfs waterstof die naast zware atomen zitten. “We kunnen daadwerkelijk kolommen waterstofatomen zien zitten in onze monsters”, vertelt Kooi. Bovendien kan de microscoop atomen met een bijna gelijk gewicht van elkaar onderscheiden. Die worden geïdentificeerd door de röntgenstralen die van het monster komen te analyseren, via twee extra grote röntgendetectoren.

De laatste unieke eigenschap van de nieuwe TEM is dat het niet nodig is om een bundel elektronen met hoge energie te gebruiken om een goede resolutie te krijgen. ‘Tot nu toe moest de elektronenbundel versneld worden met een energie van 200 tot 300 kilovolt”, legt Kooi uit. “Maar dat kan kwetsbare monsters beschadigen. Wij krijgen nu zelfs een goede resolutie bij 30 tot 60 kilovolt, zodat we monsters als het zeer dunne grafeen of biologische moleculen kunnen bestuderen.’

Ionenbundel

De nieuwe microscoop zal vooral gebruikt worden door ZIAM, dat nieuwe materialen bestudeert, en CogniGron, het onderzoeksinstituut dat nieuwe materialen ontwikkelt voor nieuwe vormen van computertechnologie, geïnspireerd op de werking van de hersenen. Beide instituten hebben bijgedragen aan de aanschafkosten die opliepen tot enkele miljoenen euro’s. Bij die koop zat een tweede systeem inbegrepen: een scanning elektronenmicroscoop, die ook is uitgerust met een ionenbundel. Daarmee kunnen wetenschappers de structuur van materialen bekijken (met behulp van de elektronenbundel) om er vervolgens interessante monsters uit te snijden met de ionenbundel. Die kunnen dan in detail bestudeerd worden in de nieuwe TEM.

Grafeen

Beide onderzoeksinstituten van de RUG maken nieuwe materialen, waarvan de eigenschappen afhangen van de juiste positionering van de atomen. Dat geldt bijvoorbeeld voor 2D materialen zoals grafeen, die maar één atoomlaag dik zijn, of stapeltjes 2D materialen. En nieuwe materialen voor gegevensopslag bevatten vaak domeinen van slechts enkele nanometers groot. “Die materialen laten we vaak laagje voor laagje groeien met allerlei depositie-technieken”, vertelt Kooi. “Deze TEM stelt ons in staat om te zien of we de atomaire structuur goed onder controle hebben, en daarmee de eigenschappen van het materiaal.”
Omdat sommige van die materialen bestaan uit oxiden is het belangrijk om de relatief lichte zuurstofatomen te kunnen zien. Dat geldt ook voor materialen voor de opslag van waterstof. Bovendien kan de nieuwe TEM een globaal overzicht van monsters geven, om vervolgens in te zoomen op de atomaire details. Het nieuwe apparaat geeft RUG-onderzoekers zo toegang tot de best mogelijke technieken voor visualisatie.

Op 19 september 2019 wordt het centrum voor elektronenmicroscopie vande RUG officieel geopend. Dit gebeurt tijdens een ZIAM-symposium in Nijenborgh 4, met als titel ‘The power of aberration-corrected transmission electron microscopy in materials science’. Meer informatie over het programma en registratie zijn te vinden op de website van ZIAM.