Imágenes de alta velocidad de microchips
Un nuevo método permite escanear rápidamente objetos grandes con resolución nanométrica
Un nuevo método acelera la obtención de imágenes de rayos X de muestras extensas, como los microchips. La innovadora técnica permite estudiar objetos relativamente grandes con detalles nanométricos en un tiempo razonable. Esto no sólo es interesante para la ciencia, sino también para la industria, como escribe el equipo de desarrolladores dirigido por el científico del DESY Mikhail Lyubomirskiy en la revista Scientific Reports.
Escaneo de un microchip con múltiples haces. La superficie de la imagen es de unos 80 por 80 micrómetros (milésimas de milímetro). La resolución es de 95 nanómetros (millonésimas de milímetro).
DESY, Mikhail Lyubomirskiy
"Los rayos X tienen el poder de revelar detalles extremadamente pequeños", dice Lyubomirskiy. "Sin embargo, la obtención de imágenes de rayos X no es tan sencilla como la fotografía con una cámara óptica". No hay objetivos ni cámaras disponibles para los rayos X. En su lugar, los científicos suelen utilizar una técnica llamada ptychography. Funciona sin lentes de imagen escaneando la muestra en pasos finos y registrando cómo los rayos X se difractan (se dispersan) por ella. La ptychography puede alcanzar la mayor resolución posible, pero el tamaño del paso mientras se escanea tiene que ser más pequeño que el diámetro del haz de rayos X, lo que resulta en un gran número de pasos a través de una muestra extendida.
Esto suele limitar el tamaño de la muestra a la escala del micrómetro, por razones prácticas. Un micrómetro es la milésima parte de un milímetro. Muchos objetos de interés para la ciencia y la industria son mucho más grandes, por ejemplo en el régimen milimétrico como un microchip. Utilizando la línea de haz P06 de la fuente de rayos X PETRA III del DESY, el equipo de Lyubomirskiy ha encontrado una solución aparentemente obvia al problema de la velocidad: utilizar más de un haz para registrar varios patrones al mismo tiempo. Pero para ello, los científicos tuvieron que superar un gran obstáculo: ¿cómo discernir los patrones de difracción de los diferentes haces?
"Desarrollamos un esquema en el que la identidad de cada haz se codifica en su fase y forma únicas", explica Lyubomirskiy. Al igual que una onda de luz, los rayos X oscilan mientras se desplazan. La posición de esta oscilación periódica en un momento determinado o en un lugar determinado se llama fase. Los científicos se aseguraron de que cada haz de rayos X llegara a la muestra con una estructura y una forma de fase diferentes. Por desgracia, los detectores de rayos X no registran directamente la fase de una onda que llega a ellos. Pero en la ptichografía, las características de la imagen de dispersión dependen de la estructura de fase que tiene el haz de rayos X cuando llega a la muestra. Con algunas matemáticas inteligentes, los investigadores pueden discernir las diferentes contribuciones del patrón de difracción de los correspondientes haces de rayos X con estructura de fase.
Este innovador sistema acelera considerablemente la obtención de imágenes. "En esencia, el doble de haces reduce a la mitad el tiempo necesario", explica el físico del DESY. "Para la demostración, escaneamos un microchip con tres haces, lo que nos llevó aproximadamente un tercio del tiempo habitual". Para un área de 80 por 80 micrómetros, el escaneo con tres haces necesitó una hora y cuarto. La imagen resultante tiene una resolución de 95 nanómetros (millonésimas de milímetro). "En un experimento posterior ya hemos utilizado seis haces, y el método también puede ampliarse a nueve o, posiblemente, incluso a doce haces", afirma Lyubomirskiy.
"La necesidad de obtener rápidamente imágenes de grandes muestras con la máxima resolución espacial existe en muchos campos de la ciencia y la industria y aumentará con las necesidades futuras en el diseño de materiales", escriben los autores. Esperan que la ptichografía multihaz sea útil para obtener imágenes rápidas de alta calidad en muchas aplicaciones. Por ejemplo, en la investigación catalítica, los autores y sus colaboradores han recibido recientemente 1,2 millones de euros para cuatro años de financiación de la investigación del Röntgen Ångström Cluster (RÅC), una colaboración científica sueco-alemana. Establecerán un marco para la microscopía operando de reacciones catalíticas en PETRA III y MAX IV.
En esta investigación han participado científicos del Centro de Rayos X y Nanociencia CXNS del DESY, la Universidad de Hamburgo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio MAX IV de la Universidad de Lund, el Paul-Scherrer-Institut (PSI) de Suiza, el GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung GmbH, XRnanotech GmbH y la Helmholtz Imaging Platform.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Multi‐beam X‐ray ptychography using coded probes for rapid non‐destructive high resolution imaging of extended samples; Mikhail Lyubomirskiy, Felix Wittwer, Maik Kahnt, Frieder Koch, Adam Kubec, Ken Vidar Falch, Jan Garrevoet, Martin Seyrich, Christian David & Christian G. Schroer; „Scientific Reports“, 2022
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