ผู้สร้างสรรค์ภาพวาดคือ “นักวาดภาพวิทยาศาสตร์” มืออาชีพเพอร์ริน ไอร์แลนด์ ผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารวิทยาศาสตร์ของสภาป้องกันทรัพยากรธรรมชาติในสหรัฐอเมริกา ผู้ซึ่งเรียกตัวเองว่าเป็น “ผู้เรียนที่ต้องเห็นภาพแนวคิดเพื่อที่จะเข้าใจ” สำหรับคนอย่างไอร์แลนด์ การคิดแบบภาพหรือแบบเรื่องราวจะช่วยให้พวกเขาจำข้อเท็จจริงและคำอธิบายได้ ซึ่งมีประโยชน์มากเมื่อพยายามเรียนรู้สิ่งใหม่ๆ
เพื่อหาคำตอบ
ว่าการวาดเส้นทางวิทยาศาสตร์สามารถนำมาสู่ฟิสิกส์ได้อย่างไร เราจึงเชิญไอร์แลนด์มาชมการบรรยายของไฟน์แมนในปี 1964 และสร้างภาพวาดให้เรา ซึ่งภาพด้านบนคือผลลัพธ์ ครึ่งศตวรรษหลังจากการบรรยายของเขา ไฟน์แมนยังคงเป็นบุคคลสำคัญในวิชาฟิสิกส์ และแม้ว่าเราจะไม่มีทางรู้ว่าเขาจะทำอะไร
แต่หันไปหาอิเล็กตรอนในทิศทางระหว่าง ดังนั้นจึงเพิ่มความคลาดเคลื่อนทรงกลมที่มีอยู่ สิ่งนี้สามารถแก้ไขได้โดยการวางควอดรูโพลไว้ข้างหน้าออคทูโพล ควอดรูโพลให้การเบี่ยงเบนลำดับแรกที่บรรจบกันในทิศทางหนึ่งและแยกไปอีกทิศทางหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าสามารถยืดลำแสงกลมเป็น “เส้นไขว้”
หากเส้นนี้ตรงกับหนึ่งในแกนที่แตกต่างของออคทูโพล เราก็จะได้การแก้ไขลำดับที่สามที่ต้องการในทิศทางนั้น แต่เรายังต้องทำการแก้ไขอันดับสามในทิศทางตั้งฉากอีกอัน ซึ่งดำเนินการโดยใช้การกำหนดค่าสี่เท่า-ออกทูโพลที่สองที่หมุนที่ 90 °จากอันแรก การรวมกันของเลนส์นี้ทำให้ลำแสงทรงกลม
ดูเป็นเหลี่ยมเล็กน้อย แต่สามารถดูแลได้โดยใช้ออคทูโพลที่สาม บริษัทขนาดเล็กสองแห่ง ใกล้เมืองซีแอตเทิลในสหรัฐอเมริกา ในเมืองไฮเดลเบิร์ก ประเทศเยอรมนี ปัจจุบันเป็นผู้นำตลาดในด้านตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลม แท้จริงแล้ว ภาพในรูปที่ 1 เป็นไปได้ด้วยอุปกรณ์ ที่ใช้ออคทูโพลสามตัว
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2476 และอาศัยหลักการที่ว่าอิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นที่แปรผกผันกับโมเมนตัมของพวกมัน มีสองประเภทพื้นฐาน: กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด รวมทั้งลูกผสมของทั้งสองแบบ
เลนส์ในกล้อง
จุลทรรศน์อิเล็กตรอนนั้นมาจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แต่พวกมันจะได้รับผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนทรงกลม การเพิ่มฟิลด์คอร์เรคเตอร์ของออคทูโพลและควอดรูโพลได้ปรับปรุงความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนให้ดีขึ้นกว่า 0.1 นาโนเมตรในทศวรรษที่ผ่านมา ขั้นตอนต่อไป
คือการแก้ไขความคลาดเคลื่อนของสี หลังจากนั้นความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์อาจถูกจำกัดด้วยขนาดของอะตอมเองความละเอียดในการมองเห็น หลังจากทำงานมาหลายทศวรรษ ตอนนี้ตัวแก้ไขความคลาดเคลื่อนช่วยให้นักวิจัยสามารถทำลายอุปสรรคความละเอียด 1 Å เป็นประจำได้
แต่เราจะใช้พลังของกล้องจุลทรรศน์ทั้งหมดนี้เพื่ออะไร และมีอะไรให้ดูจริงๆ ในระดับหรือไม่ คำตอบคือ “ใช่” อย่างท่วมท้น ดังตัวอย่างจากแอปพลิเคชันล่าสุดหลายรายการ พื้นที่หนึ่งที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแก้ไขความคลาด มีผลกระทบอย่างมากในการพิจารณาโครงสร้าง
ของข้อบกพร่องและส่วนต่อประสานในผลึก กล้องจุลทรรศน์แบบส่องผ่านให้ภาพของการฉาย ภาพของตัวอย่าง ซึ่งหมายความว่าอะตอมอาจดูเหมือนอยู่ใกล้กันมากกว่าที่เป็นจริง ตัวอย่างเช่น เป็นเวลาหลายปี เป็นไปได้เพียงที่จะถ่ายภาพคอลัมน์อะตอมแต่ละคอลัมน์ในซิลิกอนโดยที่คริสตัลเรียงตัวตามทิศทาง
ซึ่งขนาน
กับขอบของเซลล์ลูกบาศก์หน่วย การปรับปรุงความละเอียดอย่างต่อเนื่องหมายความว่าภายในทศวรรษ 1990 คอลัมน์ในทิศทาง [110] (ซึ่งอยู่ที่ 45 °ไปยังทิศทาง [100]) สามารถแก้ไขได้ เพื่อให้สามารถศึกษาข้อบกพร่อง เช่น ขอบเขตของเกรนในทิศทางนี้ได้ STEMs ที่แก้ไขความคลาดเคลื่อน
ล่าสุดสามารถแก้ไขคอลัมน์อะตอมทั้งหมดในผลึกซิลิกอนที่การวางแนวที่ซับซ้อน เช่น [112] ซึ่งระยะห่างระหว่างคอลัมน์สามารถเล็กได้ถึง 78 pm การแก้ไขความคลาดเคลื่อนทรงกลมยังช่วยให้กล้องจุลทรรศน์สามารถถ่ายภาพองค์ประกอบที่เบากว่า เช่น ออกซิเจนและคาร์บอน
ซึ่งไม่กระจายอิเล็กตรอนอย่างรุนแรง นี่เป็นเพราะ TEM ความละเอียดสูงแบบดั้งเดิมอาศัยความเปรียบต่างของเฟสเป็นส่วนใหญ่ โดยภาพจะถูกสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงเฟสของอิเล็กตรอนเมื่อพวกมันผ่านตัวอย่าง เพื่อที่จะ “เห็น” เฟสนี้ ซึ่งเป็นการแสดงลักษณะคลื่นของอิเล็กตรอนอีกอย่างหนึ่ง
เลนส์จะต้องแนะนำการเปลี่ยนเฟสให้กับอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายด้วย ตัวอย่างเช่น ความสามารถในการสร้างความคลาดเคลื่อนทรงกลมเชิงลบในเลนส์ ช่วยให้เราสามารถเพิ่มเฟสคอนทราสต์และทำให้มองเห็นอะตอมได้ การแก้ไขความคลาดเคลื่อนยังเพิ่มการมองเห็นของอะตอมแต่ละอะตอม
แทนที่จะเป็นเส้นโครงของคอลัมน์อะตอมในคริสตัล ตัวอย่างเช่น โหมดการถ่ายภาพทั่วไปคือการพล็อตจำนวนเหตุการณ์การกระเจิงของอิเล็กตรอนในมุมสูงตามฟังก์ชันของตำแหน่งโพรบ กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นส่วนใหญ่ผ่านอันตรกิริยากับนิวเคลียสของอะตอมตัวอย่าง ซึ่งทำให้พวกมันไวต่อเลขอะตอม
ของอะตอมมาก นอกจากนี้ การแก้ไขความคลาดเคลื่อนยังช่วยให้ข้อมูล 3 มิติเกี่ยวกับตำแหน่งของอะตอม เนื่องจากช่วยให้ใช้ลำแสงที่กว้างขึ้นในเลนส์ถ่ายภาพหลักได้ สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงความละเอียดด้านข้างในขณะที่ลดระยะชัดลึก เช่นเดียวกับการใช้รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นในการถ่ายภาพออปติคัล
และด้วยเหตุนี้จึงช่วยให้เราดำเนินการแบ่งส่วนออปติคอลในวัสดุต่างๆ ได้ และควอดรูโพลสี่ตัว กับเส้นขยุกขยิกของไอร์แลนด์ แต่พนันได้เลยว่าเขาจะต้องขบขันแน่ๆ แต่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนยังมีอะไรมากไปกว่าการเข้าถึงความละเอียดที่สูงขึ้น และในระยะยาว
