En ny synkrotronteknik til undersøgelse af diffusion i faste stoffer

At forstå og kontrollere, hvordan diffusionsprocessen fungerer på atomskalaen, er et vigtigt spørgsmål i syntesen af ​​materialer. For nanopartikler, stabiliteten, størrelse, struktur, sammensætning, og atomarrangement er alle afhængige af position inde i partiklen, og diffusion både påvirker alle disse egenskaber og påvirkes af dem. En mere grundig forståelse af mekanismerne og virkningerne af diffusion i nanokrystaller vil hjælpe med at udvikle kontrollerede syntesemetoder for at opnå de særlige egenskaber; imidlertid, konventionelle metoder til at studere diffusion i faste stoffer har alle begrænsninger.

I betragtning af behovet for billeddannelsesteknikker, der er følsomme over for langsommere dynamik og tillader diffusionsadfærden i individuelle nanokrystaller at blive undersøgt på atomær skala og i tre dimensioner (3-D), et team af forskere brugte stammefølsomheden af ​​Bragg kohærent diffraktionsbilleddannelse (BCDI) til at studere diffusionen af ​​jern til individuelle guldnanokrystaller in situ ved forhøjede temperaturer. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i New Journal of Physics .

Måling af diffusion i faste stoffer

Direkte metoder til undersøgelse af diffusion i faste stoffer (såsom mekanisk profilering og sputterprofilering, sekundær ion massespektrometri, og elektronmikroprobeanalyse) giver kun en makroskopisk mængde, diffusionskoefficienten. Indirekte metoder (såsom kvasielastisk neutronspektroskopi og Mössbauer-spektroskopi) kan give mikroskopisk information om diffusionsprocessen, men er begrænset til et snævert antal isotoper og relativt hurtige diffusivitetsværdier. Eksisterende metoder til diffusionsundersøgelser i faste stoffer har også en tendens til at give et gennemsnit af signaler over en række strukturer, men i nanokrystaller er prøvens heterogenitet betydelig og kan påvirke resultaterne. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) gør det muligt at studere diffusion i individuelle nanopartikler, men er begrænset til tynde prøver ( <100 nm), og den nødvendige prøveforberedelse kan være ødelæggende.

BCDI's evne til at afbilde belastning i 3-D i individuelle nanokrystaller er yderst nyttig og meget ny. Denne udviklingsteknik bruger sammenhængende røntgenstråler, som gør det muligt at kortlægge stammer i individuelle nanokrystaller i 3-D. Forskere måler krystallens diffraktionsmønster, og brug derefter iterative fasehentningsalgoritmer til at rekonstruere krystallens 3D-struktur i det virkelige rum. Den rekonstruerede elektrontæthed består af størrelse (normalt omtalt som amplitude) og fase, som svarer til krystalmorfologien og stammen. Stammefølsomheden af ​​BCDI kan bruges til at undersøge diffusionen af ​​atomer til en nanokrystal, da diffusion forventes at inducere målbare gitterforvrængninger.

BCDI af guld-jern nanopartikler

I dette studie, et team af forskere fra University College London, London, Brookhaven National Laboratory i USA, Diamond and the Research Complex ved Harwell brugte BCDI på I07-strålelinjen til at undersøge 3-D diffusionsadfærden i en guld-jern-legering. Guld nanopartikler har interessante optiske egenskaber, og deres overflade kan indstilles til specifikke funktioner. Deres biokompatibilitet gør dem til et oplagt valg til medicinske anvendelser. Jern kan bruges til at introducere interessante magnetiske egenskaber i nanopartikler, imidlertid, det er tilbøjeligt til oxidation og har høj celletoksicitet i medicinsk sammenhæng.

Guld-jern nanopartikler tilbyder et materiale med både magnetiske og optiske egenskaber, der er både biokompatibelt og beskyttet mod oxidation. De har potentielle medicinske anvendelser inden for magnetisk resonansbilleddannelse, hypertermi, og målrettet medicinafgivelse.

Holdet målte diffraktionsmønsteret af individuelle guld nanokrystaller som en funktion af temperatur og tid, før og efter jernaflejring. De brugte fasehentningsalgoritmer til at opnå reelle rumrekonstruktioner af nanokrystallerne, observation af legering af jern med guld ved prøvetemperaturer på 300-500°C og aflegering af jern fra guld ved 600°C. De fandt ud af, at volumenet af den legerede region i nanokrystallerne steg med jerndosering. Deres resultater antydede, at prøverne nåede ligevægt relativt hurtigt efter jernaflejring, og den resulterende fasefordeling i guldnanokrystallerne efter jernaflejringerne tyder på en sammentrækning på grund af diffusion af jern.

Denne undersøgelse demonstrerer anvendeligheden af ​​BCDI til at studere 3-D diffusion og legeringsadfærd i individuelle nanokrystaller på atomær skala. Den undersøgte med succes ændringerne i strukturen af ​​individuelle guldnanokrystaller som følge af diffusion af og legering med jern, ved forskellige temperaturer og metaldoser, med picometer deformationsopløsning.

Hovedforfatter Ana Estandarte tilføjer:"BCDI er en teknik, der kan anvendes på en bred vifte af materialer, og dens evne til ikke-destruktivt at undersøge 3D-belastningen i materialer på atomær skala under dynamiske processer er kraftfuld. Efter at have undersøgt med succes ændringer i nanokrystallerne under diffusion i denne undersøgelse, vi søger at anvende teknikken i fremtiden til at undersøge processer i batterimaterialer."