Elektronen bij het werk filmen

Fysici aan het Instituut voor Optiek en Atomaire Fysica hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee bewegende beelden kunnen worden vastgelegd van periodiek verlopen processen in de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM). Dergelijke processen zijn bijvoorbeeld schakelingen in moderne elektronische componenten, de zogenaamde halfgeleider-nanostructuren. Tot nu toe waren diepere 'inzichten' in dergelijke processen niet mogelijk.

Het nieuwe aan de door Dr. Tolga Wagner onder leiding van Prof. Dr. Michael Lehmann ontwikkelde methode is dat het de wetenschappers is gelukt om een geheel nieuwe, inmiddels gepatenteerde sluiter- of afschermtechniek uit te vinden [1], om 'filmopnamen' in de TEM mogelijk te maken of anders gezegd, om elektronen in het binnenste van een monster 'terwijl het werkt' te filmen. Dit komt ten goede aan het ontcijferen van fundamentele fysische processen zoals de ladingsdynamiek in halfgeleider-nanostructuren.

“In de elektronenmicroscopie wordt altijd geprobeerd om de meetomstandigheden zo stabiel mogelijk te houden,” zegt Dr. Tolga Wagner. Hoogwaardig transmissie-elektronenmicroscopen zijn zeer gevoelig voor externe verstoringen zoals trillingen, thermische instabiliteiten of elektromagnetische veldschommelingen. Dit geldt vooral voor de elektronenholografie. Zij levert alleen informatie, bijvoorbeeld over de potentialeverdeling binnen een monster, wanneer er interferentie plaatsvindt, dus de overlapping van twee coherente elektronengolven, zodat een interferentiepatroon, het elektronenhologram, kan worden vastgelegd. Hier is de 'stabiliteit' van de elektronengolven ten opzichte van elkaar een vereiste.

In plaats van de meetomstandigheden zo stabiel mogelijk te houden, verstoren Dr. Tolga Wagner en zijn collega’s bewust de meting en laten ze de interferentie slechts voor een korte periode toe. De op deze wijze gegenereerde informatie komt uitsluitend uit de periode waarin de interferentie plaatsvond. Aan de ene kant kan deze periode (bijna) arbitrarily klein worden gekozen – tijdsresoluties in het picosecondenbereik (een miljoenste van een oogwenk) zijn met beheersbare inspanning haalbaar. Aan de andere kant is de inspanning om de interferentie te onderdrukken gering vanwege de hoge gevoeligheid van de opstelling voor externe verstoringen. “Het basisidee van onze nieuwe methode is dat we de interferentie heel snel kunnen in- en uitschakelen door gerichte verstoringen,” legt Dr. Tolga Wagner uit. Door de positie en de breedte van de 'gaten' zelf wordt bepaald wanneer en hoe lang informatie wordt vastgelegd. Met deze methode is het de TU-physici gelukt om de tijdsresolutie van de transmissie-elektronenmicroscoop, die op de TU-campus in Berlijn-Charlottenburg staat en speciaal voor onderzoek naar elektronenholografie is geoptimaliseerd, van seconden naar 25 nanoseconden [2] te verhogen. Op deze tijdschalen vinden onder andere elektronische processen in halfgeleiders plaats. “Met de door ons ontwikkelde tijdsoplossende elektronenholografie is het nu mogelijk om potentialewijzigingen als gevolg van de beweging van elektronen op hun weg door halfgeleiders, die slechts enkele nanometers (een miljoenste millimeter) groot zijn, te filmen,” aldus Dr. Tolga Wagner.

[1] Michael Lehmann, Tore Niermann en Tolga Wagner. “METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT A TIME-RESOLVED INTERFEROMETRIC MEASUREMENT.”, Publicatienummer: EP3376522A1; TW201833521A; US2020103213A1; WO2018166786A1 (2018).
https://patentimages.storage.googleapis.com/3f/99/6a/e600762da71959/US20200103213A1.pdf
[2] Tolga Wagner, Tore Niermann, Felix Urban en Michael Lehmann. “Nanosecond electron holography by interference gating.” Ultramicroscopy 206 (2019): 112824.
https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2019.112824

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:

Dr. Tolga Wagner
TU Berlijn
Vakgroep Experimentele Fysica / Elektronen- en Ionen-Nano-optiek
Tel.: 030 314-24428
E-mail: tolga.wagner@tu-berlin.de