Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István 2. Atomi felbontású technikák TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

2. Atomi felbontású technikák Elmélet – Kialakulása – Képalkotási elvek – A felbontást korlátozó tényezők Gyakorlat – A Fourier transzformáció és alkalmazásai Segédanyagok

Kialakulása

Atomi feloldású technikák kialakulása Az alkalmazott technikák felbontási határának megfogalmazása A feloldási határ technikai elérése – Mikroszkópiás rendszerek pontosságának növelése – Minta előkészítési technikák fejlődése Módszerek keresése a feloldási határ növelésére – Új elvek – Új számítási módszerek

Térion mikroszkópia Feloldási határ – A leképező ion de-Broglie hullámhossza – A kezdeti sebesség értéke Feloldási határ elérése – A minta hűtése – Felületi atomok, atomi lépcsők leképezése egy nagy görbületi sugarú mintán A feloldási határ növelése – 3D atompróba tomográfia a térfogati összetétel és elemeloszlás meghatározására – Számítógépes rekonstrukció – Feszültség illetve lézer impulzus alkalmazása az atomok leválasztására

Elektron mikroszkópia Feloldási határ: – Az elektron hullámhossza és az elektronlencse leképezési hibái – Hengerszimmetrikus lencse CS hibával rendelkezik Feloldási határ elérése – Transzmissziós elektron mikroszkópia orientált vékony mintákon rácsfeloldás – Mintavékonyítási technikák fejlesztése Feloldási határ átlépése – CS korrigált mágneses lencsék – Fókuszsorozatok, számítógépes modellezés – Fókuszált ionnyalábos mintaelőkészítési technikák

STM pásztázó alagútmikroszkópia A felbontást korlátozó tényezők – A próba pozicionálási pontossága – A tű alakja és a felület tisztasága A feloldási határ elérése – Rezgésmentesítés, piezo pásztázó elemek – UHV körülmények – Töltéssűrűség kontraszt A feloldási határ átlépése – Kémiai kontraszt megvalósítása – Pásztázási sebesség növelése

AFM Felbontási határ – A tű és minta közti kölcsönhatás nem lokális jellege A Feloldási határ elérése – Rácsfeloldás és Moire kontraszt AFM kontakt leképezés során A Feloldási határ kiterjesztése – Dinamikus leképezési módszerek alkalmazása – Nemlineáris tű-minta külcsönhatás kihasználása – nc-AFM technikák kialakulása

Optikai Mikroszkópia Felbontási határ – A látható fény hullámhossza A felbontási határ elérése – Abbe és Zeis technikai fejlesztés A felbontás javítása – Közeli tér módszerek használata SNOM – Nanomikroszkópiás technikák kialakulása

Röntgen Feloldási határ – Röntgen foton hullámhossza Feloldási határ elérése – Rácsszerkezet vizsgálatok fémeken – Alacsony intenzitás, egyszerű szerkezetek Felbontás határ kiterjesztése – Koherens, intenzív források (szinkrotron) – Kiértékelési módszerek fejlesztése – Röntgen holográfia

Atomi feloldás és a nanotechnológia Making – Létrehozás – Nanoméretben strukturált anyagok (Nanocső, nanokristály, nanoréteges szerkezetek) Measuring – Mérés – AFM, STM, Egyedi molekulák mérése (pl vezetőképesség, optikai emisszió..) Manipulating – Módosítás – Felületi nanomintázás, nanolitográfia, nanoelektronikai eszközök ….

Képalkotási elvek

A képalkotás leírása A képalkotás során egy háromdimenziós tértartományból, az objektum térből egy két - vagy háromdimenziós képteret hozunk létre. A képalkotást korlátozó tényezők – Felbontás – Látószög – Mélységélesség – Képalkotási idő

A képalkotás célja A kép feldolgozása, a kép által hordozott információ végső formája egy digitalizált adathalmaz. A képalkotás célja az eredeti tartományra vonatkozó minél több információ meghatározása, mind a szerkezet, mind a fizikai tulajdonságok vonatkozásában.

A képalkotás mint mérés A képalkotás, mint minden mérés a vizsgált rendszer és a mérőeszköz közti fizikai kölcsönhatáson alapul. Az egyes mikroszkópiás módszereket eltérnek – az alkalmazott fizikai kölcsönhatás jellegében – a képalkotási folyamat módszerében – minta előkészítési módszerekben

Metrológiai követelmények A mikroszkóp metrológiai eszköz – a kalibrálás a mérési folyamat része, – a keletkezett képet értelmezni kell, – jellemezni a lehetséges műeffektusok hatását. A képi információt meghatározó tényezők – A mikroszkópiás minta előkészítése, – A leképezendő mennyiségek kiválasztása – A leképező eszköz tulajdonságai.

A leképezés Képtéren általános értelemben a megjelenítési teret értjük. A képalkotás feltétele, hogy a képtér egy térfogateleme a tárgytér egy térfogatelemével egyértelműen megfeleltethető legyen, azaz meghatározható legyen a hozzárendelt mintavételezés térfogat. Mikroszkópiáról akkor beszélünk, ha a tárgytérbeli térfogatelem kisebb, mint a képtérbeli térfogatelem.

A leképezés jellege Ideális esetben a leképezés lineáris. A lineáristól való eltéréseket torzításként, leképezési hibaként értelmezzük. A további hibaforrás a szokásos mérési eljárás során fellépő hibák, amelyek szisztematikus és statisztikus komponensekre bonthatók. Mivel a képalkotás egy meghatározott tulajdonság térbeli eloszlásának vizsgálatára irányul, ezért a mérés eredményében megjelenő egyéb hatások műeffektusként jelennek meg.

A felbontást korlátozó tényezők

Digitalizálási elvek Mintavételezési tétel – A mintavételezés során alkalmazott frekvencia legalább a kétszerese kell legyen a jelben megtalálható legnagyobb frekvenciának Shanon tétel – Egy jelátviteli csatona kapacitása arányos a sávszélesség és a jel-zaj arány függvénye

Pixelméret megválasztása A képtér digitalizálása során az alkalmazott pixelméretnek az elérni kívánt térbeli felbontás minimum 2 szeresét, célszerűen 3-4 szeresét kell választani A leképezhető térfogat a felbontás és a pixelszám szorzata A kis pixelméret és a rövid adatgyűjtési idő növeli a véletlen zajt, ilyen módon rontja az elérhető kontrasztot is,

Kép rekonstrukció Elméletileg a kép Fourier transzformáltját az átviteli függvény inverzével osztva, majd inverz Fourier transzformálva a PSF hatása a képről eltüntethető A kép mellett kontrasztot és hátteret adó komponensek miatt ez az eljárás általában csak korlátozottan alkalmazható a felbontás növelésére

A Fourier transzformáció és alkalmazásai Gyakorlati feladatok

A Fourier transzformáció A transzformáció főbb tulajdonságai A koszinusz transzformáció Diszkrét Fourier transzformáció Gyors Fourier Transzformáció

A Fourier transzformáció alkalmazásai Szűrés Dekonvolúció Tömörítés Rekonstrukció Holográfikus képalkotás és rekonstrukció

Ellenőrző kérdések

1.Mi korlátozza a leképező mikroszkópiás módszerek felbontását? 2.Mi a diffrakciós határ? 3.Mi tette lehetővé az atomi feloldás elérését a pásztázó alagút mikroszkóp esetében? 4.Miért nem lehetséges a mintával kontaktusban lévő tű esetén atom feloldást elérni az atomerő mikroszkóp esetén? 5.Mi a különbség a rácsfeloldás és az atomi feloldás között? 6.Melyik az a környezeti hatás, amelyik a leginkább befolyásolja a pásztázó próbás módszerek felbontását? 7.Hogy befolyásolja a digitalizálás a mikroszkópiás kép felbontását? 8.Hogy befolyásolja a zaj a kép információ tartalmát? 9.Mi a szerepe a Fourier transzformációnak a képalkotásban? 10.Mi a szerepe a Fourier transzformációnak a képfeldolgozásban?

Segédanyagok

Kiegészítő olvasmányok Kevin Cowtan: Képeskönyv 2D Fourier transzformációról, a fázis szerepe – er.html er.html

Programok FIJI (IMAGEJ) – OMERO – Virtual Microscope –

Nagyfeloldású Mikroszkópia Dr. Szabó István KÖSZÖNÖM A FIGYELMET ! TÁMOP C-12/1/KONV projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"