spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB


“Vorig jaar had ik nee gezegd, maar nu begrijp ik die stad. Ik zou best in Almere kunnen wonen.”
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook
De vierde dimensie in elektronenmicroscopie
20 december 2007 - Natuurkundigen aan de TU/e gaan FEI Company, fabrikant van elektronenmicroscopen, helpen bij het ontwikkelen van nog betere apparaten. In een vijfjarig project, gefinancierd door FEI en FOM (Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie) proberen ze de bewegingen van atomen in beeld te brengen. Doel: een beter begrip van chemische reacties, supergeleiders, nanotechnologie en het gedrag van eiwitten.
Elektronenmicroscoopopname van een mier met een computerchip in zijn bek. Bron: FEI Company.

Aan de TU/e richten onderzoekers van de groep Coherentie en Quantum Technologie (CQT) zich op de bekendste producten van FEI: elektronenmicroscopen. Die kunnen alweer jaren zelfs afzonderlijke atomen in beeld brengen. Maar nog wel altijd met stilstaande beelden. In dit project is één belangrijk doel het ontwikkelen van technieken om de bewegingen van atomen en ionen te kunnen filmen. “Dat toevoegen van een vierde dimensie, de tijd, aan microscoopbeelden is een heel hot topic in ons vakgebied”, zegt dr.ir. Jom Luiten, uhd bij de genoemde groep binnen de faculteit Technische Natuurkunde. “Veel processen zijn namelijk nog niet goed begrepen. Denk aan het gedrag van grote, complexe eiwitmoleculen. Die vouwen zich op een gegeven moment op tot een dichte kluwen. Maar hoe doen ze dat en waarom eigenlijk precies zo? Als het lukt om die processen te filmen, gaat er een volledig nieuwe wereld open.”
Maar ‘filmen’ met een elektronenmicroscoop is lang niet zo eenvoudig als het misschien klinkt. Je kunt niet zomaar een groot aantal stilstaande opnamen achter elkaar zetten. Voor elke volledige opname heb je namelijk een paar honderd miljoen elektronen nodig. En dat is lastig, want elektronen stoten elkaar af, omdat ze allemaal negatief geladen zijn. De oplossing die Luiten en zijn collega’s hiervoor hebben, is steeds maar één enkel elektron af te vuren op de sample onder de microscoop. Maar dan wel zo’n drie miljard keer per seconde.
Hiertoe wordt één laserpuls gesplitst. Enerzijds zet de laser een proces in de sample in beweging, bijvoorbeeld een chemische reactie of een smeltproces. Maar op basis van dezelfde laserpuls wordt uit een materiaal een hoopje elektronen vrijgemaakt, dat de sample bereikt op het moment dat daar iets gebeurt. Uit de verstrooide elektronen vormt zich een beeld van de sample. Door nu de eerste laserpuls steeds een beetje meer te vertragen, maak je er steeds een beetje later na het begin van het proces een beeld van. Resultaat: je ‘filmt’ wat er gebeurt.
Om dit principe tot een succes te maken, is het heel belangrijk de laserpulsen heel precies te sturen en te ‘timen’. Samen met het maken van een goed, coherent pakketje elektronen is dat dan ook de specialiteit van Luitens groep. Hij vertelt: “Doordat elektronen een lading hebben, kun je ze sturen, versnellen en vertragen. Zo hebben we onder andere zogeheten microgolf-trilholtes gemaakt. Wanneer de elektronenpakketjes door zo’n kleine magnetron vliegen, worden ze heel subtiel gemanipuleerd: samengeperst of in stukjes gehakt. De trilholte kan misschien zelfs als lens dienen voor elektronenbundels.”
Binnen het FOM-project gaan de onderzoekers proberen fundamentele vragen over deze nieuwe techniek te beantwoorden. Hoe goed is dit allemaal uitvoerbaar bij een elektronenmicroscoop? Gaat het maken van een filmpje ten koste van het ruimtelijke oplossend vermogen van de beelden? En, heel belangrijk, kun je het aantal schoten elektronen verkleinen, tot één per filmbeeldje? Luiten: “Dat is het streven, want de versnelde elektronen hebben behoorlijk veel energie en met name levende materie beschadigen ze heel snel.”

Ook de TU Delft en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam spelen een belangrijke rol in het project, dat FEI en FOM samen financieren. In Delft gaan aio’s bijvoorbeeld op zoek naar nieuwe ionenbronnen voor in de ionenbundelmachines van FEI. Met dit soort machines kun je op nanoschaal structuren in materialen aanbrengen door het afschieten van grote aantallen positief geladen ionen (atomen die één of meer elektronen missen, red.). “Dit zijn nu meestal galliumionen, maar soms is het gunstiger om met andere ionen te schieten. Met zwaardere of lichtere, of met edelgasionen. Daar heb je vermoedelijk minder last van wanneer ze in het materiaal blijven zitten dat je aan het bewerken bent”, vertelt Frank de Jong, director Research and Technology van FEI.
FEI profiteert van de kennis die in het project zal worden opgedaan. “Over iets meer dan vijf jaar verwachten we op basis hiervan een heel nieuw product te kunnen aanbieden”, aldus De Jong./.


Schematische weergave van een Transmission Electron Microscope (TEM). Bron: Lawrence Livermore National Laboratory, VS.

FEI en onderzoek

FEI Company is van oorsprong een Amerikaans bedrijf dat in 1997 samenging met Philips Electron Optics. Bij FEI werken wereldwijd zo’n 1800 mensen, van wie ongeveer 175 op de R&D-afdeling in Eindhoven. Het bedrijf maakt apparaten voor het karakteriseren, analyseren en manipuleren van materialen tot op atomaire schaal. De apparaten worden dan ook veel gebruikt in de halfgeleiderindustrie en de (bio)medische hoek, maar ook aan universiteiten en andere instituten.
FEI doet vaak onderzoek samen met universiteiten en onderzoeksinstituten. Frank de Jong, director Research and Technology: “We hebben natuurlijk ook veel klanten in de wetenschap en die relatie gaat altijd verder dan bij het verkopen van bijvoorbeeld een televisie.”

Het FOM-project ‘Microscopy and modification of nano-structures with focused electron and ion beams’ is begin oktober van start gegaan en duurt vijf jaar. Het heeft een budget van 2,7 miljoen euro, waarvan de helft wordt betaald door FEI; FOM betaalt de andere helft. Het leeuwendeel van het onderzoek wordt gedaan door acht aio’s, van wie er vier al in Delft en bij AMOLF aan de slag zijn. Voor de vier andere aio-plaatsen, waaronder bij de TU/e-onderzoeksgroep CQT, zijn nog vacatures.