Enkeltvinklet ptychography tillader 3D-billeddannelse af belastede materialer

Alle reagerer forskelligt under stress - selv de relativt ordnede atomer i en krystal. Hvis forskere kunne få et klart billede af, hvordan atomfly flytter sig og klemmer under stress, de kunne gøre brug af disse egenskaber til at levere nye teknologier, ligesom nanoelektronik og næste generations halvlederkomponenter, med ekstra hastighed eller funktioner. Imidlertid, at skabe dette billede kræver nye teknikker til billeddannelse af atomer i materialer og deres adfærd i forskellige miljøer.

I en nylig samarbejdsundersøgelse fra Institut Fresnel, IBM og US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskere udviklede en ny form for billeddannelse, der bruger røntgendiffraktionsmønstre, kaldes enkeltvinklet Bragg ptychography.

Selvom Bragg ptychography og især røntgendiffraktion har eksisteret i et stykke tid, enkeltvinklet Bragg ptychography muliggør lettere rekonstruktion af 3D-data om, hvordan belastning påvirker et materiale.

Ved røntgendiffraktion, atomer i et materiale "spreder" de indgående røntgenstråler, producerer et signal på en detektor. Fordi der er så mange overlappende diffraktionshændelser, der sker samtidigt, det kan være svært at identificere bidraget fra et bestemt lille område af gitteret til det samlede signal. For at kompensere for dette, forskere bruger en metode kaldet Fourier -analyse, som i det væsentlige konverterer det samlede signal til en række bølger med toppe og dale, der svarer til de relative intensiteter af forskellige dele af signalet.

Imidlertid, bare at lave almindelig røntgendiffraktion fortæller kun en del af historien, sagde hovedforfatter og Argonne materialeforsker Stephan Hruszkewycz. "For virkelig at se og forstå belastningen i det virkelige rum, du har brug for information om både intensitet og fase, "sagde han." Det, vi havde brug for, var et trick til at hente de manglende faser af diffraktionsmønsteret. "

Fase kan forstås ved at forestille sig bølger, der vælter på kysten, efter at nogen har kastet en håndfuld sten i en stille dam. Måling af højden af ​​bølger ved kysten samt deres ankomsttid kan give dig mulighed for at "se bølgen baglæns" ved at rekonstruere positionerne og størrelserne på alle klipperne, når de rammer vandet. Røntgendetektorer, imidlertid, kun måle bølgernes højde; faser, dvs. når bølgen når kysten, skal inddrives på anden måde.

Det trick, forfatterne brugte, stammer fra ptychography, en teknik, der er i stand til at gendanne faseinformation ved at bruge redundant prøveudtagning fra det samme område af krystallen. Ved kun at forskyde røntgenstrålen lidt, og ved at afbilde så meget som 60 procent af det samme virkelige rum mellem strålepositioner, teamet var i stand til at udtrække oplysninger om fasen.

"I det væsentlige, ved at have mange af de samme oplysninger kodet i naboprøver, det begrænser de mulige konfigurationer af krystallen i det virkelige rum, "Sagde Hruszkewycz.

Det virkelige fremskridt, imidlertid, kom ikke fra oplysninger indsamlet gennem diffraktion, men fra placeringen af ​​selve bjælken. Fordi forskerne vidste præcis, hvor strålen var placeret, og den vinkel, hvormed krystalets atomplaner ville sprede røntgenstrålerne, de var i stand til at udtrække yderligere oplysninger om, hvordan stammen påvirkede materialet i tre dimensioner.

"De fleste diffraktionsteknikker, herunder nogle ptychografiske, give virkelig kun en 2-D repræsentation af stikprøven af ​​interesse, "Hruszkewycz sagde." Denne teknik stiller også færre krav med hensyn til instrumentteknologi end sammenlignelige teknikker til generering af 3D-information om materialer. "

En artikel baseret på undersøgelsen, "Tredimensionel strukturel mikroskopi i høj opløsning ved enkeltvinklet Bragg ptychography, "dukkede op i november i online -udgaven af Naturmaterialer .