电子束激发超衍射限制高分辨光学显微镜关键技术

The project aim at an innovative research at the design and manufacture of an electron beam excited optical microscopy (EEOM), which involved in development of some key components such as the electron source, the thin-film cathodoluminescence materials and high vacuum isolation window. We will explore the new principle in the design of high-resolution optical microscopy beyond the diffraction limit, and resolve those key technical issues in the design and manufacture of these main components. The study includes: (1) Get the thin-film light-emitting materials applied in the EEOM with independent intellectual property rights. Get the thin-film light-emitting materials has a wavelength tunable, high luminous intensity and ultrashort afterglow, through understanding the key factors that can restrict the emission wavelength, luminous intensity or persistence time, to improve the detection sensitivity and imaging speed of EEOM. (2) Design an electron beam – light conversion window that can isolate high vacuum with atmosphere, in order to achieve the nanoscale resolution imaging and high-resolution images in situ at atmosphere. (3) Design a scanning electron sources with high spatial resolution and high brightness and the corresponding high vacuum system, it can achieve the capabilities with high brightness, high resolution and high-speed scan imaging. On this basis, we will explore the application of EEOM in the dynamic study of cell biology, visualization, and in situ investigation of nanomaterials.

本项目针对电子束激发高分辨光学显微镜设计和制造中涉及到的电子源、薄膜发光材料以及超高真空隔离窗等关键部件进行创新性研究，探索超越衍射限制的高分辨率光学显微镜设计的新原理、解决主要部件设计和制造中涉及到的关键技术问题。研究内容包括：（1）将具有自主知识产权的薄膜发光材料应用于电子束激发光学显微镜，实现发光波长的调控及提高检测灵敏度和成像速度；揭示制约发光波长、发光强度及余辉时间的关键因素，获得具有波长可调、高发光强度及超短余辉的薄膜发光材料。（2）设计一种能够实施电子束-光束转换的超高真空隔离窗口，实现在环境气氛下的纳米级分辨成像以及高分辨像的原位研究；（3）设计一种具有高空间分辨率并具有高亮度的扫描电子源以及相匹配的超高真空系统，实现高亮度、高分辨率和高速扫描的成像功能。在此基础上，探索电子束激发高分辨率光学显微镜在细胞生物学的动态研究、可视化研究以及纳米材料的原位研究方法。

本项目探索超越衍射限制的高分辨率光学显微镜设计的新原理、解决关键技术问题，实现超衍射限制的光学显微观察。研究内容包括：（1）依据电子束激发发光，研制出具有超衍射限制的空间分辨率的电子束激发光学扫描显微镜。（2）研制出相应的高分辨率扫描电子源，实现高亮度、高分辨率和高速扫描的成像功能。（3）研制出纳米厚度的超薄发光窗口材料，揭示制约发光波长和强度的关键因素，获得了高亮度的薄膜发光窗口材料。（4）设计一种能够实施电子束-光束转换的超高真空隔离窗口，实现在环境气氛下的纳米级分辨成像以及高分辨像的原位研究。（5）探索电子束激发高分辨率光学显微镜在细胞生物学的可视化研究及纳米材料的原位研究方法。.该项目按计划完成了电子束激发的具有高空间分辨率的光学显微镜的研制，并利用该仪器开展了纳米材料原位长和细胞凋亡过程可视化观察的初步研究。（1）利用扫描电镜的钨灯丝电子枪，通过结构改造，实现了电子枪的倒置工作，电子束束斑的空间分辨率可以达到6-8nm。（2）利用纳米级厚度的氮化硅的电子束激发发光，研制了具有纳米尺度和扫描功能的点光源。点光源的尺度主要由电子束束斑大小和发光薄膜层的厚度决定，表面镀膜氧化锌可以大幅增加亮度。其发光亮度可以通过调整电子束的能量和束流来实现调控。（3）实现了电子束激发和光学显微镜系统的集成。通过微光检测信号与电子束扫描信号的同步，可以获得不同位置的光信号，实现了电子束激发的白光扫描像以及样品产生的荧光扫描像。图像的分辨率均可达到20nm左右，优于50nm的任务要求。（4）实现了多种纳米材料在环境气氛下的形貌生长观测，可以观察到纳米球的空心化过程以及纳米线的原位生长过程。同时还对细胞进行微观行为的研究，利用荧光像观察到了细胞的凋亡和细胞质的流出过程。.该仪器的成功研制为纳米材料的原位研究以及细胞和生物物质的可视化研究提供了新方法，具有重要的科学意义。