KAIST突破X射线显微镜分辨率极限
KAIST-浦项加速器研究所
“可观测半导体、电池内部1纳米级结构”
为无损检测内部缺陷等创新提供突破
韩国研究团队开发出一种能够精密观测半导体、电池内部结构的X射线显微镜。
韩国科学技术院（KAIST）12日表示，物理学系教授 Park Yonggeun 研究团队与 Pohang Accelerator Research Center 的 Lim Jun 博士研究团队通过联合研究，成功开发出一项能够突破现有X射线显微镜分辨率极限的源头技术。
X射线显微镜具有可以穿透大多数物质的优点，通过胸部X光或CT拍摄，可以非侵入性地观测人体内部器官和骨骼。近年来，为了在纳米尺度上精密观测半导体、电池的内部结构，提升X射线成像技术分辨率的研究正积极开展。
X射线纳米显微镜没有折射透镜，而是使用被称为同心圆衍射板（zone plate）的圆形光栅作为透镜的替代品。利用同心圆衍射板获得的图像分辨率由衍射板纳米结构的制作质量决定。制造并维持这种纳米结构存在多种困难，这一局限决定了X射线显微镜的分辨率上限。
为克服这一问题，研究团队开发了新的X射线纳米显微镜技术。研究团队提出的X射线透镜，是在薄钨膜上打出大量孔洞的结构，通过使入射的X射线发生衍射来生成随机衍射图样。研究团队从数学上论证了一个看似悖论的事实：样品的高分辨率信息完整地包含在这些随机衍射图样之中，并成功从中提取样品信息并实现成像。
这种利用随机衍射的数学特性进行成像的技术，是在2016年由博士 Lee Gyeorae 和教授 Park Yonggeun 首次在全球提出并在可见光波段实现的，当时发表在《自然·通讯》上。本次研究则是将该前期研究成果应用于解决X射线领域的难题。
重建出的样品图像分辨率与所用随机透镜上刻蚀图样的尺寸没有直接关联。基于这一理念，研究团队利用由直径300纳米（nm）的圆形图样制成的随机透镜，成功获得了分辨率为14nm（约为新冠病毒大小的七分之一）的图像。研究团队开发的成像技术，是一项关键基础技术，可将受制于传统同心圆衍射板制作难题的X射线纳米显微镜分辨率提升到更高水平。
第一作者兼共同通讯作者、KAIST物理学系博士 Lee Gyeorae 表示：“如果能够利用下一代X射线光源和高性能X射线探测器，有望将现有X射线纳米成像的分辨率进一步提升至接近电子显微镜分辨率水平的1nm附近。由于与电子显微镜不同，X射线在不损伤样品的情况下即可观测内部结构，因此有望为半导体检测等非侵入性纳米结构观测树立新的标准。”
本研究成果于本月7日发表在光学与光子学国际学术期刊《Light: Science and Application》上（论文题目：Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness）。
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