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アルゴンヌ国立研究所ナノスケール材料センター(CNM)の硬X 線ナノプローブは、世界最高の空間分解能を備えた硬 X 線顕微鏡ビームラインを提供することで、最先端の技術を進歩させました。このプローブは、30 nm 以上の空間分解能で、硬 X 線による蛍光、回折、透過イメージングを提供します。専用の光源、ビームライン、光学系がこれらの機能の基礎を形成します。この独自の機器は、CNM の特定の研究分野にとって重要なだけでなく、ナノ材料やナノ構造、特に埋め込み構造の研究において、より広範なナノサイエンス コミュニティで利用できる汎用機器でもあります。
回折、蛍光、透過コントラストを 1 つのツールに組み合わせることで、ナノサイエンスに独自の特性評価機能を提供します。フレネル ゾーン プレート光学系に基づく現在の硬 X 線マイクロプローブは、8 ～ 10 keV の光子エネルギーで 150 nm の空間分解能を実証しています。ゾーン プレート光学系の製造の進歩と最適化されたビームライン設計を組み合わせることで、パフォーマンス目標は 30 nm の空間分解能です。ナノプローブは 3 ～ 30 keV のスペクトル範囲をカバーし、集束光学系とサンプル間の動作距離は通常 10 ～ 20 mm の範囲です。
動作モード
透過。このモードでは、サンプルによる X 線ビームの減衰または位相シフトを測定できます。吸収コントラストを使用して、サンプルの密度をマップできます。吸収端の両側の測定を使用して特定の元素成分を特定し、中程度の感度で元素固有の差分画像を得ることができます。位相コントラスト画像は、吸収が低い場合でも内部構造に敏感であり、X 線エネルギーを調整することで強化できます。
回折。サンプルから回折したX線を測定することで、標準的な電子回折よりも100倍高い精度で、結晶相、歪み、組織などの局所的な構造情報を得ることができます。
蛍光。誘導 X 線蛍光により、サンプル内の個々の元素の空間分布が明らかになります。X 線プローブは電子プローブよりも 1,000 倍高い感度を備えているため、蛍光技術は定量的な微量元素分析の強力なツールであり、第 2 相粒子、欠陥、界面分離などの材料特性を理解する上で重要です。
分光法。分光法モードでは、一次X線ビームのエネルギーが元素の吸収端にわたってスキャンされ、その化学状態 ( XANES ) または局所環境 ( EXAFS ) に関する情報が提供され、無秩序なサンプルの研究が可能になります。
偏光。直線偏光と円偏光の両方の X 線が利用できます。偏光によるコントラストは、直線および円偏光二色性や磁気回折などの技術を使用して蛍光信号と回折信号を区別し、磁区構造を画像化する上で非常に重要です。
トモグラフィー。X 線トモグラフィーでは、これらのモードの 1 つをサンプルの回転と組み合わせて、一連の 2 次元投影画像を生成します。この画像を使用して、サンプルの内部の 3 次元構造を再構築します。これは、複雑なナノ構造の形態を観察する際に特に重要です。
要約すると、硬X線ナノプローブは、非侵襲性で定量的であること、サンプルの準備が最小限で済むこと、サブ光学的空間分解能が得られること、サンプルの内部に浸透して内部構造を研究できること、その場でのプロセスを研究する能力が強化されていることなどの利点があります。荷電粒子プローブとのもう1つの重要な違いは、X線は印加された電場や磁場と相互作用しないことです。これは、現場での研究に有利です。ナノプローブビームラインの設計は、これらの潜在的な利点を維持することを目的としています。