Enorme vergrotingen zijn mogelijk met elektronenmicroscopen. Zelfs de posities van atomen zijn dan zichtbaar. Martijn Fransen ging op zoek naar de beste elektronenbronnen voor deze microscopen.
Een gewone microscoop kan objecten tienduizend maal vergroten. Maar de kleinste details zijn dan nog steeds te groot om bijvoorbeeld de structuur van moleculen en andere materialen te onderzoeken. Wie meer wil zien, gebruikt elektronen in plaats van licht. Afgelopen dinsdag promoveerde Martijn Fransen op zijn onderzoek naar heldere elektronenbronnen. Onderzoek dat hij verrichtte in de groep deeltjesoptica van Technische Natuurkunde in nauwe samenwerking met het Philips Natuurkundig Laboratorium te Eindhoven.
,,Het gebruik van elektronen in microscopen is een golflengtekwestie”, legt Fransen uit. ,,Gewone microscopen gebruiken licht. De golflengte van licht is vijfhonderd nanometer en dat is ook ongeveer de kleinste afmeting die wij met een lichtmicroscoop kunnen zien. De golflengte van elektronen is een miljoen maal kleiner. Daardoor kunnen we met elektronenmicroscoop de posities van atomen zichtbaar maken. Een belangrijk hulpmiddel om bijvoorbeeld kristallen te bestuderen, maar ook biologische moleculen.”
De elektronenbron vormt een essentieel onderdeel van elektronenmicroscopen. De bron produceert de elektronen en schiet deze in de richting van het te bekijken object. Het object verstrooit de elektronen zodat er een afbeelding van gemaakt kan worden. Voor een mooie afbeelding gelden strenge eisen. De bron moet helder zijn en de snelheid van de elektronen dient niet te veel te variëren. Verder mag de stroom van elektronen niet plotseling veranderen en moet de bron zo lang mogelijk meegaan.
2 Een opname met een elektronenmicroscoop. Afgebeeld is een wolfraamdraadje waarop een nanobuis is vastgelijmd. De breedte van het draadje is ongeveer 100 nanometer.
Televisie
Het bekendste voorbeeld van het gebruik van een elektronenbron in ons dagelijks leven is de televisie. Een bundel elektronen raakt het beeldscherm dat hierdoor licht gaat uitzenden. Achter het scherm zit de elektronenbron. Magneetvelden zorgen ervoor dat de elektronenbundel snel het scherm aftast zodat wij een scherp beeld te zien krijgen. Maar volgens de promovendus is de vergelijking met een televisie niet terecht. ,,Voor de elektronenbronnen van televisietoestellen gelden andere eisen dan voor de bronnen van de elektronenmicroscopen. Het zijn totaal verschillende apparaten.”
Het uitgangspunt van het promotieonderzoek, vier jaar geleden, vormden berekeningen die lieten zien dat ultrascherpe tips de beste elektronenbronnen zouden zijn. Een veel lagere spanning voor dezelfde helderheid zou het voordeel zijn. Maar de tip moet wel atomair scherp zijn. Dat wil dus zeggen dat slechts een paar atomen verantwoordelijk zijn voor het uitzenden van de elektronen.
Om de helderheid van die scherpe tips te kunnen meten, bouwde Fransen in het Natuurkundig Laboratorium van Philips een speciale meetopstelling. Als tip koos hij een dun wolfraam draadje dat hij met behulp van etstechnieken zo scherp mogelijk maakte. Maar voordat hij kon beginnen met zijn metingen vroegen zijn collega’s van Philips om eerst eens de bestaande elektronenbronnen door te meten.
3 De meetopstelling van Fransen waarmee hij drie verschillende elektronenbronnen testte.
Ultrascherp
De bestaande bronnen van commerciële elektronenmicroscopen zijn gemaakt van wolfraam bedekt met een dun laagje zirconiumoxide. Deze microscopen zijn al sinds de zeventiger jaren in gebruik maar de bronnen waren nooit nauwkeurig doorgemeten. Fransen toonde aan dat de eigenschappen van de bestaande bronnen zeer gevoelig zijn voor de temperatuur. En uit de gemeten snelheidsverdeling van de elektronen kon hij het elektrisch veld op het zirconiumoxide-oppervlak nauwkeurig berekenen.
Gebaseerd op deze uitkomsten, ontwikkelde de onderzoeker simpele modellen om het gedrag van de commerciële bronnen te beschrijven en de maximale helderheid te berekenen. ,,Ik heb erg gelet op de toepasbaarheid van mijn modellen. Het zijn simpele, analytische modelletjes die het gedrag van de elektronenbronnen helemaal beschrijven. Het is belangrijk dat er geen moeilijke numerieke berekeningen aan te pas moeten komen want dat werkt niet in de industrie.”
Vervolgens kwamen de elektronenbronnen met de ultrascherpe tip aan bod. Al snel bleek dat die scherpe tips niet beter zijn dan de commerciële bronnen. Eerder slechter. De helderheid is hetzelfde maar de stabiliteit is veel minder. Grote fluctuaties in de stroom van elektronen ontstaan doordat de atomen op de tip bewegen. Ook kunnen andere atomen op de tip terechtkomen en zo het uitzenden van elektronen verstoren.
De zoektocht naar een bron met een stabiele, scherpe punt leidde de onderzoeker naar de groep van nobelprijswinnaar Smalley in Houston. Smalley had al met succes nanobuizen als elektronenbron gebruikt maar nog niet getest voor het gebruik in elektronenmicroscopen. Nanobuizen zijn gemaakt van opgerolde lagen koolstofatomen die gerangschikt zijn in een patroon van kippengaas. De buizen kunnen verschillende diameters hebben en daardoor ook verschillende elektrische eigenschappen.
Hopen
Een nanobuis op zich kan niet dienen als tip. Fransen plaatste de buizen daarom op wolfraam tips. ,,Het maken van tips met nanobuizen was een groot probleem. Ik gebruikte een simpele knip-plak methode. Ik nam een wolfraam tip met een beetje lijm erop. Onder een lichtmicroscoop probeerde ik in de kluwen nanobuizen een enkele buis te isoleren en met de tip op te pikken. Onmogelijk werk omdat je een enkele buis eigenlijk niet kunt zien. Het was maar hopen dat er iets op de tip terecht kwam.”
Twee problemen blijven er dan nog over. Is het wel één enkele buis en wat zijn de elektrische eigenschappen van die buis? Een opname met een elektronenmicroscoop geeft uitsluitsel over het aantal buizen dat op de tip vastgelijmd zit. De elektrische eigenschappen konden alleen achterhaald worden door de helderheid van de nanobuis-tip en de snelheidsverdeling van de uitgezonden elektronen te meten.
Fransen ontdekte dat de nanobuizen inderdaad stabiele bronnen zijn. Vijftig dagen achter elkaar zonden zijn tips met nanobuizen een zeer constante stroom elektronen uit. Grote verschillen traden er op in de eigenschappen van de tips. De helderheid van de beste nanobuis-tip bleek minder te zijn dan de bestaande bronnen, maar de variatie in de snelheid van de elektronen bleek veel minder te zijn. Een hoopgevend resultaat dat vervolgonderzoek rechtvaardigt.
Regelen
,,Mijn promotie begon met de vraag of ultrascherpe tips een geschikt alternatief konden zijn voor bestaande bronnen. Het werd uiteindelijk een vergelijking tussen drie verschillende tips. Aan de ene kant zeer vernieuwend onderzoek met die nanobuizen. Aan de andere kant probeerde ik antwoorden te vinden op oude vragen uit de jaren zeventig. Het leukste was dat die vragen vanuit de industrie kwamen en ik al mijn metingen kon verklaren. Ik hoop dat bouwers van microscopen nu mijn modelletjes gaan gebruiken.”
De meeste tijd van zijn promotie heeft de onderzoeker doorgebracht bij Philips. ,,Een zeer stimulerende omgeving met veel gepromoveerde mensen. Ik heb wel teveel achter mijn bureau gezeten. Dingen tot op de bodem uitzoeken ligt me niet zo. Ik vind het leuker om dingen te regelen en direct met mensen om te gaan. En dat is precies wat ik nu doe in mijn huidige werk bij Philips Almelo.”
,,
1 Fransen: ,,Het maken van tips met nanobuizen was een groot probleem. Ik gebruikte een simpele knip-plak methode.”
Een gewone microscoop kan objecten tienduizend maal vergroten. Maar de kleinste details zijn dan nog steeds te groot om bijvoorbeeld de structuur van moleculen en andere materialen te onderzoeken. Wie meer wil zien, gebruikt elektronen in plaats van licht. Afgelopen dinsdag promoveerde Martijn Fransen op zijn onderzoek naar heldere elektronenbronnen. Onderzoek dat hij verrichtte in de groep deeltjesoptica van Technische Natuurkunde in nauwe samenwerking met het Philips Natuurkundig Laboratorium te Eindhoven.
,,Het gebruik van elektronen in microscopen is een golflengtekwestie”, legt Fransen uit. ,,Gewone microscopen gebruiken licht. De golflengte van licht is vijfhonderd nanometer en dat is ook ongeveer de kleinste afmeting die wij met een lichtmicroscoop kunnen zien. De golflengte van elektronen is een miljoen maal kleiner. Daardoor kunnen we met elektronenmicroscoop de posities van atomen zichtbaar maken. Een belangrijk hulpmiddel om bijvoorbeeld kristallen te bestuderen, maar ook biologische moleculen.”
De elektronenbron vormt een essentieel onderdeel van elektronenmicroscopen. De bron produceert de elektronen en schiet deze in de richting van het te bekijken object. Het object verstrooit de elektronen zodat er een afbeelding van gemaakt kan worden. Voor een mooie afbeelding gelden strenge eisen. De bron moet helder zijn en de snelheid van de elektronen dient niet te veel te variëren. Verder mag de stroom van elektronen niet plotseling veranderen en moet de bron zo lang mogelijk meegaan.
2 Een opname met een elektronenmicroscoop. Afgebeeld is een wolfraamdraadje waarop een nanobuis is vastgelijmd. De breedte van het draadje is ongeveer 100 nanometer.
Televisie
Het bekendste voorbeeld van het gebruik van een elektronenbron in ons dagelijks leven is de televisie. Een bundel elektronen raakt het beeldscherm dat hierdoor licht gaat uitzenden. Achter het scherm zit de elektronenbron. Magneetvelden zorgen ervoor dat de elektronenbundel snel het scherm aftast zodat wij een scherp beeld te zien krijgen. Maar volgens de promovendus is de vergelijking met een televisie niet terecht. ,,Voor de elektronenbronnen van televisietoestellen gelden andere eisen dan voor de bronnen van de elektronenmicroscopen. Het zijn totaal verschillende apparaten.”
Het uitgangspunt van het promotieonderzoek, vier jaar geleden, vormden berekeningen die lieten zien dat ultrascherpe tips de beste elektronenbronnen zouden zijn. Een veel lagere spanning voor dezelfde helderheid zou het voordeel zijn. Maar de tip moet wel atomair scherp zijn. Dat wil dus zeggen dat slechts een paar atomen verantwoordelijk zijn voor het uitzenden van de elektronen.
Om de helderheid van die scherpe tips te kunnen meten, bouwde Fransen in het Natuurkundig Laboratorium van Philips een speciale meetopstelling. Als tip koos hij een dun wolfraam draadje dat hij met behulp van etstechnieken zo scherp mogelijk maakte. Maar voordat hij kon beginnen met zijn metingen vroegen zijn collega’s van Philips om eerst eens de bestaande elektronenbronnen door te meten.
3 De meetopstelling van Fransen waarmee hij drie verschillende elektronenbronnen testte.
Ultrascherp
De bestaande bronnen van commerciële elektronenmicroscopen zijn gemaakt van wolfraam bedekt met een dun laagje zirconiumoxide. Deze microscopen zijn al sinds de zeventiger jaren in gebruik maar de bronnen waren nooit nauwkeurig doorgemeten. Fransen toonde aan dat de eigenschappen van de bestaande bronnen zeer gevoelig zijn voor de temperatuur. En uit de gemeten snelheidsverdeling van de elektronen kon hij het elektrisch veld op het zirconiumoxide-oppervlak nauwkeurig berekenen.
Gebaseerd op deze uitkomsten, ontwikkelde de onderzoeker simpele modellen om het gedrag van de commerciële bronnen te beschrijven en de maximale helderheid te berekenen. ,,Ik heb erg gelet op de toepasbaarheid van mijn modellen. Het zijn simpele, analytische modelletjes die het gedrag van de elektronenbronnen helemaal beschrijven. Het is belangrijk dat er geen moeilijke numerieke berekeningen aan te pas moeten komen want dat werkt niet in de industrie.”
Vervolgens kwamen de elektronenbronnen met de ultrascherpe tip aan bod. Al snel bleek dat die scherpe tips niet beter zijn dan de commerciële bronnen. Eerder slechter. De helderheid is hetzelfde maar de stabiliteit is veel minder. Grote fluctuaties in de stroom van elektronen ontstaan doordat de atomen op de tip bewegen. Ook kunnen andere atomen op de tip terechtkomen en zo het uitzenden van elektronen verstoren.
De zoektocht naar een bron met een stabiele, scherpe punt leidde de onderzoeker naar de groep van nobelprijswinnaar Smalley in Houston. Smalley had al met succes nanobuizen als elektronenbron gebruikt maar nog niet getest voor het gebruik in elektronenmicroscopen. Nanobuizen zijn gemaakt van opgerolde lagen koolstofatomen die gerangschikt zijn in een patroon van kippengaas. De buizen kunnen verschillende diameters hebben en daardoor ook verschillende elektrische eigenschappen.
Hopen
Een nanobuis op zich kan niet dienen als tip. Fransen plaatste de buizen daarom op wolfraam tips. ,,Het maken van tips met nanobuizen was een groot probleem. Ik gebruikte een simpele knip-plak methode. Ik nam een wolfraam tip met een beetje lijm erop. Onder een lichtmicroscoop probeerde ik in de kluwen nanobuizen een enkele buis te isoleren en met de tip op te pikken. Onmogelijk werk omdat je een enkele buis eigenlijk niet kunt zien. Het was maar hopen dat er iets op de tip terecht kwam.”
Twee problemen blijven er dan nog over. Is het wel één enkele buis en wat zijn de elektrische eigenschappen van die buis? Een opname met een elektronenmicroscoop geeft uitsluitsel over het aantal buizen dat op de tip vastgelijmd zit. De elektrische eigenschappen konden alleen achterhaald worden door de helderheid van de nanobuis-tip en de snelheidsverdeling van de uitgezonden elektronen te meten.
Fransen ontdekte dat de nanobuizen inderdaad stabiele bronnen zijn. Vijftig dagen achter elkaar zonden zijn tips met nanobuizen een zeer constante stroom elektronen uit. Grote verschillen traden er op in de eigenschappen van de tips. De helderheid van de beste nanobuis-tip bleek minder te zijn dan de bestaande bronnen, maar de variatie in de snelheid van de elektronen bleek veel minder te zijn. Een hoopgevend resultaat dat vervolgonderzoek rechtvaardigt.
Regelen
,,Mijn promotie begon met de vraag of ultrascherpe tips een geschikt alternatief konden zijn voor bestaande bronnen. Het werd uiteindelijk een vergelijking tussen drie verschillende tips. Aan de ene kant zeer vernieuwend onderzoek met die nanobuizen. Aan de andere kant probeerde ik antwoorden te vinden op oude vragen uit de jaren zeventig. Het leukste was dat die vragen vanuit de industrie kwamen en ik al mijn metingen kon verklaren. Ik hoop dat bouwers van microscopen nu mijn modelletjes gaan gebruiken.”
De meeste tijd van zijn promotie heeft de onderzoeker doorgebracht bij Philips. ,,Een zeer stimulerende omgeving met veel gepromoveerde mensen. Ik heb wel teveel achter mijn bureau gezeten. Dingen tot op de bodem uitzoeken ligt me niet zo. Ik vind het leuker om dingen te regelen en direct met mensen om te gaan. En dat is precies wat ik nu doe in mijn huidige werk bij Philips Almelo.”
1 Fransen: ,,Het maken van tips met nanobuizen was een groot probleem. Ik gebruikte een simpele knip-plak methode.”
Een gewone microscoop kan objecten tienduizend maal vergroten. Maar de kleinste details zijn dan nog steeds te groot om bijvoorbeeld de structuur van moleculen en andere materialen te onderzoeken. Wie meer wil zien, gebruikt elektronen in plaats van licht. Afgelopen dinsdag promoveerde Martijn Fransen op zijn onderzoek naar heldere elektronenbronnen. Onderzoek dat hij verrichtte in de groep deeltjesoptica van Technische Natuurkunde in nauwe samenwerking met het Philips Natuurkundig Laboratorium te Eindhoven.
,,Het gebruik van elektronen in microscopen is een golflengtekwestie”, legt Fransen uit. ,,Gewone microscopen gebruiken licht. De golflengte van licht is vijfhonderd nanometer en dat is ook ongeveer de kleinste afmeting die wij met een lichtmicroscoop kunnen zien. De golflengte van elektronen is een miljoen maal kleiner. Daardoor kunnen we met elektronenmicroscoop de posities van atomen zichtbaar maken. Een belangrijk hulpmiddel om bijvoorbeeld kristallen te bestuderen, maar ook biologische moleculen.”
De elektronenbron vormt een essentieel onderdeel van elektronenmicroscopen. De bron produceert de elektronen en schiet deze in de richting van het te bekijken object. Het object verstrooit de elektronen zodat er een afbeelding van gemaakt kan worden. Voor een mooie afbeelding gelden strenge eisen. De bron moet helder zijn en de snelheid van de elektronen dient niet te veel te variëren. Verder mag de stroom van elektronen niet plotseling veranderen en moet de bron zo lang mogelijk meegaan.
2 Een opname met een elektronenmicroscoop. Afgebeeld is een wolfraamdraadje waarop een nanobuis is vastgelijmd. De breedte van het draadje is ongeveer 100 nanometer.
Televisie
Het bekendste voorbeeld van het gebruik van een elektronenbron in ons dagelijks leven is de televisie. Een bundel elektronen raakt het beeldscherm dat hierdoor licht gaat uitzenden. Achter het scherm zit de elektronenbron. Magneetvelden zorgen ervoor dat de elektronenbundel snel het scherm aftast zodat wij een scherp beeld te zien krijgen. Maar volgens de promovendus is de vergelijking met een televisie niet terecht. ,,Voor de elektronenbronnen van televisietoestellen gelden andere eisen dan voor de bronnen van de elektronenmicroscopen. Het zijn totaal verschillende apparaten.”
Het uitgangspunt van het promotieonderzoek, vier jaar geleden, vormden berekeningen die lieten zien dat ultrascherpe tips de beste elektronenbronnen zouden zijn. Een veel lagere spanning voor dezelfde helderheid zou het voordeel zijn. Maar de tip moet wel atomair scherp zijn. Dat wil dus zeggen dat slechts een paar atomen verantwoordelijk zijn voor het uitzenden van de elektronen.
Om de helderheid van die scherpe tips te kunnen meten, bouwde Fransen in het Natuurkundig Laboratorium van Philips een speciale meetopstelling. Als tip koos hij een dun wolfraam draadje dat hij met behulp van etstechnieken zo scherp mogelijk maakte. Maar voordat hij kon beginnen met zijn metingen vroegen zijn collega’s van Philips om eerst eens de bestaande elektronenbronnen door te meten.
3 De meetopstelling van Fransen waarmee hij drie verschillende elektronenbronnen testte.
Ultrascherp
De bestaande bronnen van commerciële elektronenmicroscopen zijn gemaakt van wolfraam bedekt met een dun laagje zirconiumoxide. Deze microscopen zijn al sinds de zeventiger jaren in gebruik maar de bronnen waren nooit nauwkeurig doorgemeten. Fransen toonde aan dat de eigenschappen van de bestaande bronnen zeer gevoelig zijn voor de temperatuur. En uit de gemeten snelheidsverdeling van de elektronen kon hij het elektrisch veld op het zirconiumoxide-oppervlak nauwkeurig berekenen.
Gebaseerd op deze uitkomsten, ontwikkelde de onderzoeker simpele modellen om het gedrag van de commerciële bronnen te beschrijven en de maximale helderheid te berekenen. ,,Ik heb erg gelet op de toepasbaarheid van mijn modellen. Het zijn simpele, analytische modelletjes die het gedrag van de elektronenbronnen helemaal beschrijven. Het is belangrijk dat er geen moeilijke numerieke berekeningen aan te pas moeten komen want dat werkt niet in de industrie.”
Vervolgens kwamen de elektronenbronnen met de ultrascherpe tip aan bod. Al snel bleek dat die scherpe tips niet beter zijn dan de commerciële bronnen. Eerder slechter. De helderheid is hetzelfde maar de stabiliteit is veel minder. Grote fluctuaties in de stroom van elektronen ontstaan doordat de atomen op de tip bewegen. Ook kunnen andere atomen op de tip terechtkomen en zo het uitzenden van elektronen verstoren.
De zoektocht naar een bron met een stabiele, scherpe punt leidde de onderzoeker naar de groep van nobelprijswinnaar Smalley in Houston. Smalley had al met succes nanobuizen als elektronenbron gebruikt maar nog niet getest voor het gebruik in elektronenmicroscopen. Nanobuizen zijn gemaakt van opgerolde lagen koolstofatomen die gerangschikt zijn in een patroon van kippengaas. De buizen kunnen verschillende diameters hebben en daardoor ook verschillende elektrische eigenschappen.
Hopen
Een nanobuis op zich kan niet dienen als tip. Fransen plaatste de buizen daarom op wolfraam tips. ,,Het maken van tips met nanobuizen was een groot probleem. Ik gebruikte een simpele knip-plak methode. Ik nam een wolfraam tip met een beetje lijm erop. Onder een lichtmicroscoop probeerde ik in de kluwen nanobuizen een enkele buis te isoleren en met de tip op te pikken. Onmogelijk werk omdat je een enkele buis eigenlijk niet kunt zien. Het was maar hopen dat er iets op de tip terecht kwam.”
Twee problemen blijven er dan nog over. Is het wel één enkele buis en wat zijn de elektrische eigenschappen van die buis? Een opname met een elektronenmicroscoop geeft uitsluitsel over het aantal buizen dat op de tip vastgelijmd zit. De elektrische eigenschappen konden alleen achterhaald worden door de helderheid van de nanobuis-tip en de snelheidsverdeling van de uitgezonden elektronen te meten.
Fransen ontdekte dat de nanobuizen inderdaad stabiele bronnen zijn. Vijftig dagen achter elkaar zonden zijn tips met nanobuizen een zeer constante stroom elektronen uit. Grote verschillen traden er op in de eigenschappen van de tips. De helderheid van de beste nanobuis-tip bleek minder te zijn dan de bestaande bronnen, maar de variatie in de snelheid van de elektronen bleek veel minder te zijn. Een hoopgevend resultaat dat vervolgonderzoek rechtvaardigt.
Regelen
,,Mijn promotie begon met de vraag of ultrascherpe tips een geschikt alternatief konden zijn voor bestaande bronnen. Het werd uiteindelijk een vergelijking tussen drie verschillende tips. Aan de ene kant zeer vernieuwend onderzoek met die nanobuizen. Aan de andere kant probeerde ik antwoorden te vinden op oude vragen uit de jaren zeventig. Het leukste was dat die vragen vanuit de industrie kwamen en ik al mijn metingen kon verklaren. Ik hoop dat bouwers van microscopen nu mijn modelletjes gaan gebruiken.”
De meeste tijd van zijn promotie heeft de onderzoeker doorgebracht bij Philips. ,,Een zeer stimulerende omgeving met veel gepromoveerde mensen. Ik heb wel teveel achter mijn bureau gezeten. Dingen tot op de bodem uitzoeken ligt me niet zo. Ik vind het leuker om dingen te regelen en direct met mensen om te gaan. En dat is precies wat ik nu doe in mijn huidige werk bij Philips Almelo.”
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.