新型可灵活塑形的镜子改进了X射线显微镜

日本的一组研究人员设计了一种可以灵活塑形的X射线镜，使其在原子级别具有卓越的精度和增加的稳定性。这项由名古屋大学工程研究生院的松山智教授和井上尊人博士与理化学研究所和JTEC公司合作开发的新技术改进了X射线显微镜和其他使用X射线镜的技术的性能。该成果已经发表在《Optica》杂志上。

X射线显微镜是一种先进的成像工具，它弥合了电子显微镜和光学显微镜之间的差距。它使用X射线，能够提供比光线更好的分辨率，并且可以穿透对电子来说太厚的样品。这使得难以用其他显微镜技术观察的结构得以成像。X射线显微镜具有高分辨率，这使得它在材料科学和生物学等领域特别有价值，因为它可以观察样品内部的成分、化学状态和结构。

镜子在X射线显微镜中起着至关重要的作用。它们反射X射线束，允许对复杂结构进行高分辨率成像。在现代科学领域，如催化剂和电池检测中，高质量的图像和准确的测量是必不可少的。

然而，X射线的小波长使得它们容易受到微小制造缺陷和环境影响的扭曲。这会产生波前像差，可能限制图像分辨率。松山教授及其合作者通过创建一个可以变形的镜子来解决了这个问题，该镜子可以根据检测到的X射线波前调整自己的形状。

为了优化他们的镜子，研究人员研究了压电材料。这些材料很有用，因为当施加电场时，它们可以变形或改变形状。这使得材料可以重新塑造自己，以应对检测到的波前中的甚至微小的像差。

在考虑了各种化合物之后，研究人员选择了单晶铌酸锂作为他们的可变形镜子。单晶铌酸锂在X射线技术中很有用，因为它可以通过电场进行膨胀和收缩，并且可以抛光成高反射表面。这使得它可以作为致动器和反射表面，简化了设备。

"传统的X射线可变形镜是由玻璃基板和PZT板粘接而成的。然而，连接不同材料并不理想，会导致不稳定性，" 松山说道。“为了克服这个问题，我们采用了单晶压电材料，因为它是由均匀材料制成而没有粘接，所以具有异常的稳定性。由于这种简单的结构，镜子可以以原子级精度自由变形。此外，这种精度保持了七个小时，证实了其极高的稳定性。”

当他们测试他们的新装置时，松山的团队发现他们的X射线显微镜超出了预期。它的高分辨率使得它特别适合观察微观对象，例如半导体器件组件。与传统X射线显微镜的空间分辨率相比（通常为100纳米），他们的技术有潜力开发出提供约10倍更好分辨率（10纳米）的显微镜，因为像差校正使其接近理想分辨率。

"这一成就将促进高分辨率X射线显微镜的发展，这一直受到制造工艺精度的限制，" 松山表示。“这些镜子可以应用于其他X射线设备，如光刻设备、望远镜、医学诊断中的CT和X射线纳米束形成。”