Fortschritte in der automatisierten Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie

Die Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) ist ein Werkzeug, mit dem man die atomare Struktur von Materialien genau untersuchen kann. Sie ermöglicht es Forschern, verschiedene Arten von Informationen über eine Probe gleichzeitig zu sammeln. Aktuelle Methoden hängen jedoch stark von erfahrenen Bedienern ab, die die Geräte steuern und Informationen nur aus kleinen Bereichen der Probe sammeln. Das kann langsam sein und führt manchmal zu Fehlern oder Verzerrungen in den gesammelten Daten.

#Neue Methoden für hochauflösende Bilder

In den letzten Entwicklungen wurde ein neues System geschaffen, das einen Grossteil des Datensammlungsprozesses in der STEM automatisiert. Dieses System nutzt eine spezielle Probenbühne, die extrem präzise bewegt wird, um in kürzerer Zeit ein grösseres Gebiet abzudecken. Forscher in einem Labor haben dieses benutzerfreundliche System eingerichtet, damit mehrere Wissenschaftler von diesen fortschrittlichen Techniken profitieren können, ohne umfangreiche Erfahrung zu benötigen.

#Wie STEM funktioniert

STEM kann sehr feine Details von Materialien zeigen, sogar bis hin zu einzelnen Atomen. Es funktioniert, indem ein fokussierter Elektronenstrahl über eine Probe gescannt wird. Wenn die Elektronen mit den Atomen interagieren, werden verschiedene Signale erzeugt, die Informationen über die Struktur und Zusammensetzung der Probe liefern können. Moderne STEM wird durch zusätzliche Methoden wie Elektronenenergiedispersionsspektroskopie (EELS) und Röntgenenergiedispersionsspektroskopie (EDS) verbessert, die noch mehr Einblick in das untersuchte Material geben.

#Automatisierung: Eine essentielle Lösung

Die traditionelle Methode zur Durchführung von STEM-Experimenten erfordert immer noch menschliche Anwesenheit, was die Menge der gesammelten Daten und die Konsistenz der Durchführung einschränkt. Hier kommt die Automatisierung ins Spiel. Mit Computern, die den STEM-Prozess steuern, können Forscher längere Experimente durchführen, ohne physisch anwesend zu sein. Das hilft, Fehler bei der Datensammlung zu reduzieren und erleichtert das Sammeln von Informationen aus grösseren Bereichen einer Probe.

#Merkmale des neuen Systems

Das neue automatisierte STEM-System ist so konzipiert, dass es eine Reihe von Aufgaben ausführen kann, die für die Datensammlung entscheidend sind. Es beinhaltet Werkzeuge, die die Probenbühne genau bewegen, überprüfen, ob sie an der richtigen Stelle ist, den besten Fokus für das Bilden finden und schliesslich die notwendigen Daten sammeln. Dieser gesamte Prozess wird durch ein Computerprogramm gesteuert, das Flexibilität ermöglicht und auf die spezifischen Bedürfnisse unterschiedlicher Experimente zugeschnitten werden kann.

#Eine spezielle Probenbühne

Der Erfolg dieses neuen Systems beruht stark auf einer speziell entworfenen Probenbühne, die äusserst präzise ist. Diese Bühne kann winzige Distanzen bewegen, ohne sich zu verschieben, was entscheidend für die Gewinnung hochwertiger Bilder ist. Die Bühne kann auch kippen und rotieren, was es den Forschern ermöglicht, Bilder aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen, was wichtig ist, um die Probe vollständig zu verstehen.

#Herausforderungen bei der Automatisierung

Trotz dieser Fortschritte steht der Automatisierungsprozess vor einigen Herausforderungen. Das aktuelle Bühnenystem bewegt sich möglicherweise nicht immer perfekt oder misst seine Position genau, was die Fähigkeit einschränken kann, vollständig autonome Experimente durchzuführen. Weitere Verbesserungen in der Bewegungssteuerung der Bühne sind nötig, um die vollen Vorteile der Automatisierung in der STEM zu realisieren.

#Das System benutzerfreundlich machen

Ein wichtiger Aspekt dieses automatisierten Systems ist, dass es benutzerfreundlich gestaltet ist. Die Computersteuerung hilft, Operationen zu vereinfachen, die normalerweise manuelle Anpassungen erfordern würden. Zum Beispiel können Aufgaben wie das Fokussieren des Mikroskops oder das Ausrichten der Linsen automatisiert werden. Das bedeutet, dass selbst Benutzer, die keine Experten in der Mikroskopie sind, das System effektiv bedienen können.

#Fortschrittliche Fokussiertechniken

Eine der schwierigsten Aufgaben bei der Nutzung von STEM ist es, sicherzustellen, dass der Fokus genau richtig für hochqualitative Bilder ist. Um dabei zu helfen, wurden zwei ausgeklügelte Routinen zur Autofokussierung entwickelt. Eine Methode analysiert schnell Daten aus eindimensionalen Scans, um den besten Fokus zu bestimmen, wobei viel weniger Zeit und Elektronendosis als bei älteren Methoden benötigt wird. Die andere, fortgeschrittenere Technik verwendet bayesianische Optimierung, um den besten Fokus zu finden und dabei die Anzahl der aufgenommenen Bilder zu minimieren.

#Pipeline-Struktur für Experimente

Das automatisierte System kann Experimente durchführen, indem es einer Reihe von wiederholbaren Schritten folgt, die in einer Pipeline organisiert sind. Jeder Schritt kann in verschiedenen Experimenten wiederverwendet werden, was das System sehr anpassungsfähig macht. Zum Beispiel kann die Pipeline so eingerichtet werden, dass zuerst ein Referenzbild erstellt wird, dann zu bestimmten Probenbereichen gewechselt wird und schliesslich die benötigten Daten für die Analyse aufgezeichnet werden.

#Hochdurchsatz-Bildgebung

Das neue System brilliert darin, eine grosse Anzahl von hochwertigen Bildern effizient zu sammeln. Das ist entscheidend für die Untersuchung von Materialien wie Nanopartikeln, bei denen Forscher genug Daten sammeln müssen, um zuverlässige Schlussfolgerungen über eine gesamte Gruppe von Partikeln zu ziehen. Das automatisierte System kann stundenlang ohne menschliche Aufsicht laufen und Hunderte von Bildern sammeln, die wertvolle Informationen liefern.

#Multimodale Datensammlung

Das automatisierte STEM-System ist nicht auf nur eine Art von Daten beschränkt. Es kann auch multimodale Daten erfassen, sodass verschiedene Bildgebungstechniken gleichzeitig genutzt werden können. Zum Beispiel können Forscher Informationen sammeln, die sowohl die atomare Struktur als auch den Phasenunterschied von Materialien zeigen, was eine umfassendere Sicht auf die Probe bietet.

#Zukünftige Entwicklungen

Das Pipeline-System legt den Grundstein für zukünftige Fortschritte in der Mikroskopautomatisierung. Forscher planen, intelligentere Algorithmen weiter zu integrieren, die die Entscheidungsfindung während der Experimente verbessern könnten. Zum Beispiel könnte das System automatisch Partikel in den Daten identifizieren, die mit bestimmten Orientierungen übereinstimmen, wodurch der gesamte Prozess noch effizienter wird.

#Fazit

Das automatisierte STEM-System stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Mikroskopie dar. Durch die Ermöglichung einer hochdurchsatz Datenakquise und multimodaler Bildgebung hilft diese Technologie Forschern, entscheidende Informationen über Materialien effizienter denn je zu erhalten. Während die Automatisierung weiterhin fortschreitet, wird sie wahrscheinlich neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Untersuchungen und Materialanalysen eröffnen.