Forskere afslører mekanisme for elektronladningsudveksling i molekyler

Forskere ved University of California, Irvine har udviklet en ny metode til scanningstransmissionselektronmikroskopi, der muliggør visualisering af materialers elektriske ladningstæthed ved sub-angstrom-opløsning.

Med denne teknik, UCI -forskerne var i stand til at observere elektronfordeling mellem atomer og molekyler og afdække spor til ferroelektricitetens oprindelse, visse krystallers evne til at besidde spontan elektrisk polarisering, der kan skiftes ved anvendelse af et elektrisk felt. Forskningen, hvilket fremhæves i en undersøgelse offentliggjort i dag i Natur , afslørede også mekanismen for ladningsoverførsel mellem to materialer.

"Denne metode er et fremskridt inden for elektronmikroskopi - fra detektering af atomer til billeddannelseselektroner - der kunne hjælpe os med at konstruere nye materialer med ønskede egenskaber og funktionaliteter til enheder, der bruges til datalagring, energiomdannelse og kvanteberegning, "sagde teamleder Xiaoqing Pan, UCI's Henry Samueli begavet stol i teknik og professor i både materialevidenskab og teknik og fysik og astronomi.

Anvender et nyt aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop med en fin elektronprobe, der måler et halvt angstrom og et hurtigt direkte elektrondetekteringskamera, hans gruppe var i stand til at erhverve et 2-D rasterbillede af diffraktionsmønstre fra et område af interesse i prøven. Som opnået, datasættene er 4-D, da de består af 2-D diffraktionsmønstre fra hver probe-placering i et 2-D-scanningsområde.

"Med vores nye mikroskop, vi kan rutinemæssigt danne en elektronprobe så lille som 0,6 ångstrøm, og vores højhastighedskamera med vinkelopløsning kan erhverve 4-D STEM-billeder med 512 x 512 pixels ved mere end 300 billeder i sekundet, "Pan sagde." Ved hjælp af denne teknik, vi kan se elektronladningsfordelingen mellem atomer i to forskellige perovskitoxider, upolært strontiumtitanat og ferroelektrisk vismutferrit. "

Elektronladningstæthed i bulkmaterialer kan måles ved røntgen- eller elektrondiffraktionsteknikker ved at antage en perfekt defektfri struktur inden for det strålebelyste område. Men, Pan sagde, der er stadig en udfordring med at løse elektronladningstæthed i nanostrukturerede materialer, der består af grænseflader og defekter.

"I princippet, lokalt elektrisk felt og ladningstæthed kan bestemmes ved elektrondiffraktionsbilleddannelse ved hjælp af et aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskop med en sub-angstrom elektronprobe, "sagde han." Mens han trængte igennem en prøve, elektronstrålen interagerer med det indre elektriske felt af materiale i dets vej, hvilket resulterer i en ændring i dens momentum afspejlet i diffraktionsmønsteret. Ved at måle denne ændring, det elektriske felt i en lokal region af prøven kan afgrænses, og ladningstætheden kan udledes. "

Pan tilføjede, at selvom dette princip er blevet demonstreret i simuleringer, intet forsøg har været vellykket indtil nu.

"Kortene med elektronladningstæthed opnået ved hjælp af 4-D STEM-metoden matcher teoretiske resultater fra de første principberegninger, "sagde hovedforfatter Wenpei Gao, en UCI -postdoktor i materialevidenskab og teknik. "Undersøgelsen af ​​ferroelektrisk/isolatorgrænsefladen mellem vismutferrit og strontiumtitanat ved hjælp af denne teknik viser direkte, hvordan træk ved vismutforbindelsens polare atomstruktur lækker hen over grænsefladen, forekommer i det normalt upolære strontiumtitanat. Som resultat, grænsefladen er vært for overskydende elektroner begrænset til et lille område, der er mindre end 1 nanometer tykt. "

Pan sagde, at dette projekt giver materialeforskere og ingeniører nye værktøjer til evaluering af strukturer, defekter og grænseflader i funktionelle materialer og nanodelenheder. Han bemærkede, at det snart kan være muligt at foretage kortlægning med høj gennemstrømning af ladningstætheden for materialer og molekyler for at tilføje til databasen over egenskaber, der hjælper i Materials Genome Initiative.

"Når elektronmikroskopi skrider frem fra billeddannelsesatomer til sonderende elektroner, det vil føre til ny forståelse og opdagelse inden for materialeforskning, "sagde medforfatter Ruqian Wu, UCI professor i fysik og astronomi, der ledede undersøgelsens teoretiske arbejde. "Evnen til at forestille ladningsdensitetsfordelingen omkring atomer nær grænseflader, korngrænser eller andre plane defekter åbner nye felter for elektronmikroskopi og materialevidenskab. "