Microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberraciones

El teorema de Scherzer es un teorema del campo de la microscopía electrónica . Establece que existe un límite de resolución para las lentes electrónicas debido a aberraciones inevitables .

El físico alemán Otto Scherzer descubrió en 1936 ^{[ 2 ]} que las lentes electromagnéticas , utilizadas en microscopios electrónicos para enfocar el haz de electrones , conllevan errores de imagen inevitables. Estas aberraciones son de naturaleza esférica y cromática; es decir, el coeficiente de aberración esférica C _s y el coeficiente de aberración cromática C _c son siempre positivos. ^{[ 3 ]}

Scherzer resolvió el sistema de ecuaciones de Laplace para potenciales electromagnéticos asumiendo las siguientes condiciones:

1. Los campos electromagnéticos son simétricos rotacionalmente,
2. Los campos electromagnéticos son estáticos,
3. No hay cargos por espacio. ^{[ 4 ]}

Demostró que, bajo estas condiciones, las aberraciones que surgen degradan la resolución de un microscopio electrónico hasta cien veces la longitud de onda del electrón. ^{[ 5 ]} Concluyó que las aberraciones no pueden corregirse con una combinación de lentes de simetría rotacional. ^{[ 2 ]}

En su artículo original, Scherzer resumió: «La aberración cromática y esférica son errores inevitables de la lente electrónica sin carga espacial. En principio, la distorsión (tensión y torsión) y (todos los tipos de) coma pueden eliminarse. Debido a la inevitabilidad de la aberración esférica, existe un límite práctico, pero no fundamental, para el poder de resolución del microscopio electrónico». ^{[ 2 ]}

El límite de resolución proporcionado por el teorema de Scherzer puede superarse rompiendo una de las tres condiciones mencionadas anteriormente. Renunciar a la simetría rotacional en lentes electrónicas ayuda a corregir las aberraciones esféricas. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Una corrección de la aberración cromática puede lograrse con campos electromagnéticos dependientes del tiempo, es decir, no estáticos (por ejemplo, en aceleradores de partículas ). ^{[ 9 ]}

Albert Crewe investigó los beneficios del microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) y su potencial para la obtención de imágenes de alta resolución . Investigó la necesidad de una fuente de electrones más brillante en el microscopio, planteando la posibilidad de utilizar cañones de emisión de campo frío. ^{[ 10 ]} Mediante esta y otras iteraciones, Crewe logró mejorar la resolución del STEM de 30 Ångstroms (Å) a 2,5 Å. ^{[ 11 ]} El trabajo de Crewe permitió visualizar átomos individuales por primera vez. ^{[ 12 ]}

Crewe presentó patentes para correctores de aberración electrónica, ^{[ 13 ] [ 14 ]} pero nunca pudo obtener prototipos funcionales.

En los primeros intentos por corregir las aberraciones, se exploraron correctores electrostáticos de bajo voltaje. Estos correctores utilizaban lentes electrostáticas para manipular el haz de electrones. La ventaja de los sistemas de bajo voltaje radicaba en su menor aberración cromática, ya que la dispersión de energía de los electrones era menor a voltajes reducidos. ^{[ 15 ]} Los investigadores descubrieron que, mediante un diseño cuidadoso de estos elementos electrostáticos, podían corregir algunas de las aberraciones esféricas y cromáticas que afectaban a los primeros microscopios electrónicos. Estos primeros correctores fueron cruciales para comprender el comportamiento de la óptica electrónica y sentaron las bases para técnicas de corrección más sofisticadas.

Ondrej Krivanek y Niklas Dellby fundaron Nion a finales de la década de 1990, ^{[ 19 ]} inicialmente como una colaboración con IBM . ^{[ 20 ]} Sus primeros productos fueron correctores de aberración esférica para STEM existentes. Posteriormente, diseñaron un ACTEM desde cero, el UltraSTEM 1. ^{[ 21 ]}

El método de corrección de aberraciones empleado por Rose y Haider sentó las bases de la empresa CEOS. Desarrollaron correctores modulares que podían incorporarse a microscopios fabricados por otros proveedores, lo que dio lugar a productos comerciales de FEI , JEOL , Hitachi y Zeiss .

El proyecto del microscopio de corrección de aberraciones de electrones de transmisión (TEAM) fue un esfuerzo de colaboración entre el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), el Laboratorio Nacional Argonne (ANL), el Laboratorio Nacional Brookhaven , el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Illinois, Urbana-Chamaign ^{[ 22 ]} con el objetivo técnico de alcanzar una resolución espacial de 0,05 nanómetros, una traslación e inclinación suaves de la muestra, al tiempo que permitía una variedad de experimentos in situ . ^{[ 23 ]}

El proyecto TEAM dio como resultado varios microscopios, el primero fue el ACAT en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois que tenía el primer corrector de aberración cromática, luego el TEAM 0.5 y el TEAM I en la Molecular Foundry en California, y concluyó en 2009. ^{[ 24 ]} Ambos microscopios TEAM son S/TEM (pueden usarse tanto en modo TEM como en modo STEM) que corrigen tanto la aberración esférica como la aberración cromática. ^{[ 25 ] [ 26 ]} Los microscopios TEAM son administrados por el Centro Nacional de Microscopía Electrónica , una instalación de la Molecular Foundry en LBNL, y el ACAT por el Centro de Materiales a Nanoescala en ANL.

Se han diseñado y utilizado varios correctores de aberraciones en microscopios electrónicos, como uno de Takanayagi. ^{[ 27 ]} También se han utilizado correctores similares a energías mucho más bajas, como en instrumentos LEEM . ^{[ 28 ]}

La microscopía electrónica de transmisión de corriente alterna (AC-TEM) se ha utilizado ampliamente en ciencias físicas, en parte debido a la resistencia de las muestras al daño por radiación . Esto abarca campos como la química, la ciencia de los materiales y la física.

La corrección de aberraciones aún no se ha utilizado de forma generalizada en las ciencias biológicas, debido al bajo contraste de peso atómico en los sistemas biológicos y al mayor daño por radiación. Sin embargo, sus ventajas adicionales, como una mayor estabilidad mecánica y mejores detectores, han mejorado significativamente la calidad de la recopilación de datos.