Brandpunten spreiden voor betere beeldvorming

Extreem ultraviolet (EUV) licht biedt bij microscopie het voordeel dat er een beeld met een hoge resolutie kan worden verkregen in combinatie met spectruminformatie over het bestudeerde object. Doordat EUV-microscopie gebruikmaakt van diffractie in plaats van lenzen, is beeldvorming met meer dan één golflengte een uitdaging. Onderzoekers van ARCNL en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben hier een oplossing voor gevonden door een nieuwe klasse van diffractieve optische elementen voor EUV-licht te ontwerpen.

25-01-2021 | 14:51

Dit biedt mogelijkheden om zowel de lichtbronnen als de optische elementen in EUV-microscopie te verbeteren en zo de weg vrij te maken voor brede toepassing van deze techniek in de nanowetenschap. Deze week zijn de resultaten van het onderzoek gepubliceerd in Optica.

Vult niche
EUV-microscopie vult de niche tussen beeldvorming met zichtbaar licht, dat niet het detail op nanoschaal levert dat nodig is in de biologische beeldvorming, en beeldvormingsmethoden zoals elektronmicroscopie, die nog meer detail leveren, maar soms ongeschikt zijn doordat ze cryogene koeling en nauwkeurige voorbereiding van de monsters vereisen. Daar komt nog bij dat EUV-licht door zijn sterke interactie met materie zeer nuttig is voor spectroscopische metingen om de materiaaleigenschappen van een monster te analyseren.

Diffractie
Er zitten echter wat haken en ogen aan EUV-microscopie. "Een zeer praktische probleem bij het gebruik van EUV-licht voor beeldvormingsdoeleinden is dat bijna elk materiaal op aarde het grootste deel van de straling absorbeert. Daardoor kunnen we geen lenzen gebruiken om EUV-licht te concentreren", zegt Stefan Witte, groepsleider bij ARCNL. "We kunnen wel gebruikmaken van diffractie. Als je licht door een object met spleten heen zendt, zal het afbuigen. Als de spleten op de juiste manier zijn aangebracht, is het mogelijk de straling te concentreren in een brandpunt, op dezelfde manier als een lens dat doet met zichtbaar licht."

"We zijn op zoek naar de ideale combinatie van licht en diffractie in EUV-microscopie."

Zoneplaten in plaats van lenzen
EUV-licht kan worden geconcentreerd met een zogenoemde fresnel-zoneplaat, een schijf met een cirkelpatroon van spleten die het licht afbuigen. Een eigenschap van de buiging van licht is echter dat de hoek waarin het licht wordt gebogen, afhankelijk is van de golflengte. Witte: "We gebruiken een coherente lichtbron die een breed spectrum van licht in het EUV-bereik bevat. Met een conventionele zoneplaat resulteert dat in verschillende brandpunten voor elke golflengte in de straal, maar daarvan kunnen we er maar één gebruiken zonder het monster te verplaatsen. Bovendien is het onmogelijk om spectrumgegevens van een monster te verzamelen als je er licht met maar één golflengte doorheen stuurt. De materiaaleigenschappen van het monster die we met EUV-spectroscopie hadden kunnen analyseren blijven dan onbekend."

Optimalisering
Lars Loetgering en Kevin Liu, twee wetenschappers in de groep van Witte, vonden een op het eerste gezicht niet zo voor de hand liggende oplossing voor dit probleem. Een perfecte zoneplaat produceert duidelijke brandpunten, maar als er kleine oneffenheden in het concentrische spletenpatroon zitten, wordt het brandpunt als het ware uitgesmeerd in de richting van de straal. De onderzoekers beseften dat ze deze rommelige 'brandpuntsvlekken' in hun voordeel konden laten werken. "De brandpuntsvlekken zijn ook verschoven voor elke golflengte in het spectrum, maar ze overlappen wel enigszins", zegt Witte. "We hebben een model gemaakt om de optimale zoneplaat te berekenen waarin een minimum aan onregelmatigheden – of entropie in de structuur – leidt tot een maximale overlap van de brandpuntsvlekken. Daarmee kunnen we het EUV-licht optimaal benutten en ook profiteren van de spectrale gevoeligheid van EUV-beeldvorming door de gegevens van maximaal negen verschillende golflengten te verzamelen."

Spannende vooruitzichten
Witte en zijn team hebben hun 'onvolmaakte' zoneplaten getest in simulaties en experimenten en zijn enthousiast over de resultaten. "Dit nieuwe type diffractieve optische elementen maakt niet alleen de weg vrij voor brede toepassing van tafelmodel EUV-microscopie, maar we kunnen het ook gebruiken om een stapje terug te doen en onze EUV-lichtbronnen efficiënter te maken", zegt hij. "We zijn op zoek naar de ideale combinatie van licht en diffractie in EUV-microscopie, die kan variëren afhankelijk van de informatie die je zoekt."

Tafelmodel EUV-microscoop
Witte verwacht dat de komende jaren cruciaal worden voor een bredere toepassing van EUV-microscopie in de nanowetenschap. "De techniek wordt nu nog begrensd door de efficiëntie van de lichtbronnen en de beperking tot straling met één enkele golflengte. Er moet nog veel gebeuren, maar met onze aanpak verwacht ik dat we de techniek verder kunnen optimaliseren, zodat hij gebruikt kan worden in de metrologie of materiaalkunde. Onderzoekers die nu nog afhankelijk zijn van grote synchrotroninstallaties, zouden bijvoorbeeld hun experimenten in hun eigen lab kunnen uitvoeren met een tafelmodel EUV-microscoop."

Diffractieve zoneplaat
Met een speciaal ontworpen diffractieve zoneplaat is het mogelijk de verschillende golflengten van het licht in een extreem ultraviolette straal (links) (gedeeltelijk) te concentreren op het monster (het paarse vierkantje rechts). Illustratie: Ricardo Struik (ARCNL)