Verdensførende mikroskoper tager ærlige øjebliksbilleder af atomer i deres kvarterer

Vi kan direkte se atomernes skjulte verden takket være elektronmikroskoper, først udviklet i 1930'erne. I dag, elektronmikroskoper, som bruger elektronstråler til at belyse og forstørre en prøve, er blevet endnu mere sofistikeret, tillader forskere at tage virkelige øjebliksbilleder af materialer med en opløsning på mindre end halvdelen af ​​diameteren af ​​et brintatom.

Nu, forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) skubber grænserne for elektronmikroskopi endnu mere gennem en kraftfuld teknik kaldet 4-D-STEM, et udtryk, der står for "2-D raster af 2-D diffraktionsmønstre ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi."

Deres fund, rapporteret i Naturkommunikation og Naturmaterialer , vis for første gang, hvordan 4-D-STEM kan give direkte indsigt i ydelsen af ​​ethvert materiale-fra stærkt metallisk glas til fleksible halvledende film-ved at identificere specifikke atomiske "kvarterer", der kan kompromittere et materiales ydeevne, eller måske have potentiale til at forbedre det.

"Historisk set elektronmikroskoper har været mest nyttige ved høj opløsning til billeddannelse af hårde materialer, "sagde forfatteren Andew Minor, der ledede undersøgelserne. Mindre er facilitetsdirektør for National Center for Electron Microscopy (NCEM) på Berkeley Labs Molecular Foundry; medlem af Materials Sciences Division i Berkeley Lab; og professor i materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley.

"Nu, i disse undersøgelser, vi har vist, at når 4-D-STEM indsættes med vores højhastighedsdetektorer, tilpassede algoritmer, og kraftfulde elektronmikroskoper, teknikken kan hjælpe forskere med at kortlægge atom- eller molekylære områder i ethvert materiale-endda strålefølsomme, bløde materialer - det var ikke muligt at se med tidligere teknikker, " han sagde.

Kortlægning af atomkvarterer i bløde materialer

Inden for fleksibel elektronik og organisk fotovoltaik, forskere bruger typisk røntgenstråler til at karakterisere et materiales molekylære struktur, fordi elektronstrålen i et elektronmikroskop ville ødelægge materialet.

"Men røntgenstråler kan ikke fokuseres på størrelsen af ​​enkeltatomer, "sagde Mindre." Når det kommer til at nå atomopløsning, intet slår elektroner. Du kan fokusere elektroner til et meget lille punkt, og elektronerne reagerer meget stærkt med materialer. Det er godt, hvis du vil have meget signal, men det er dårligt, hvis du har et strålefølsomt materiale. "

I deres Naturmaterialer undersøgelse, Mindre og medforfattere demonstrerede, hvordan højhastighedsdetektorer, der fanger atomer i aktion med op til 1, 600 billeder i sekundet med 4-D-STEM tillod hidtil usete molekylære film af en organisk halvleder med små molekyler. Filmen viste, hvordan den molekylære rækkefølge i halvlederen, bruges ofte i organiske solceller, ændret som reaktion på et almindeligt behandlingsadditiv (kaldet DIO eller 1, 8-diiodooctane), der vides at øge solcelleeffektiviteten.

Ved udførelsen af Naturmaterialer undersøgelse som en del af DOE's Soft Matter Electron Microscopy and Scattering -program, 4-D-STEM-eksperimenterne tillod mindre og hans medforfattere at kortlægge orienteringen af ​​kornene af ordnede molekyler i materialet, der ligner at krydse hinanden, overlappende veje, der forbinder tilstødende kvarterer.

Sådanne detaljer, som ikke er mulige at observere med konventionel STEM, er betydningsfulde, fordi lavvinklede grænser-som lange, lige tunneler, hvorigennem en bil kan accelerere uhindret ved høj hastighed - er nødvendige for, at elektroner kan koble sig sammen og generere en ladning i en funktionel halvleder.

Ved hjælp af denne kraftfulde nye teknik, forskerne viste klart, at DIO -tilsætningsstoffet dramatisk ændrer materialets nanostruktur, og at denne overlappende kornstruktur er nøglen til den øgede effektivitet observeret i solceller fremstillet af disse materialer, forklarede Colin Ophus, forsker ved NCEM.

"Grunden til, at det er vigtigt at se orienteringsfordeling af et materiale, er fordi disse grænser stærkt medierer materialets elektriske ledningsevne, "sagde han." Hvis en elektron rammer en væg eller en korngrænse, har den stor chance for at hoppe af, hvilket kompromitterer dens ydeevne. "

Bygger bedre materialer, atom for atom

I deres Naturkommunikation undersøgelse, udført som en del af DOEs program for mekanisk adfærd af materialer, Mindre, Ophus, og medforfattere brugte 4-D-STEM til at lokalisere atomskala "svage led" i metalglas i bulk, der i sidste ende fører til brud under stress.

Regelmæssige metaller er krystallinske materialer, hvilket betyder, at deres atomer er arrangeret i en perfekt, gentagende mønster - som tennisbolde perfekt stablet inde i en terning, så de fylder rummet. Når et atom mangler, er en sådan defekt tydelig under et elektronmikroskop, gør det lettere at forudsige, hvor et materiale kan blive kompromitteret.

Men store metalliske briller (BMG'er) er amorfe, hvilket betyder, at deres atomer danner et uordentligt mønster - som et tilfældigt samlet, ustabil bunke tennisbolde, golfbolde, og baseballs smidt inde i en kasse. Og denne uforudsigelige struktur er det, der gør det svært for materialeforskere at finde ud af, hvor disse atomfejl kan gemme sig, da de kompromitterer et materiales sejhed.

Ved at bruge 4-D-STEM med højhastigheds elektrondetektorer, forskerne målte den gennemsnitlige afstand mellem atomer inden for bestemte områder af BMG -materialet, og registrerede "belastningen" eller ændringen i denne afstand, når materialet trækkes, indtil det går i stykker.

De viste, at 4-D-STEM, når det kombineres med højhastigheds elektrondetektorer og hurtige algoritmer til at analysere hundredtusinder af diffraktionsmønstre gennem en prøve, kan identificere forstadierne i materialets atomstruktur, der får det til at mislykkes, Sagde Ophus.

Fokus på fremtiden for 4-D-STEM

Kernen i dette ægteskab mellem højhastighedsdetektorer og 4-D-STEM-mikroskoper er finspundne algoritmer, som Ophus tilpasser til hver bruger, der kører 4-D-STEM-eksperimenter på støberiets NCEM-facilitet.

"Vi kører nogle af de hurtigste 4-D-STEM-simuleringskoder i verden, og hvert brugerprojekt på støberiet bringer unikke udfordringer, kræver målinger af forskellige materialers egenskaber fra mange forskellige prøver, "sagde Ophus." Men vi ved, at ikke alle kan skrive kode, så vi hjælper vores brugere ved at udvikle skræddersyede, brugervenlig software, der giver dem mulighed for at simulere og modellere virkelige materialer i disse hidtil usete skalaer. "

Ophus tilføjede, at brugerne kan drage fordel af deres tilpassede scripts, selv uden at komme til Berkeley Lab. Han og Mindre, i samarbejde med forskere fra Berkeley Labs Division for Computational Research og Toyota Research Institute, udvikler en open-source, Python-baseret software, så kraften i 4-D-STEM er tilgængelig for hundredvis af institutioner i stedet for kun en håndfuld.

Når den er afsluttet, deres open source -software, kombineret med Berkeley Labs nye ultrahurtige 4-D-kamera, vil bane vejen for billeddannelse af materialer på atomært eller molekylært niveau, når de morfer som reaktion på stress ved en endnu højere opløsning og hurtigere hastighed, sagde Mindre. Dette kamera er i øjeblikket den hurtigste elektrondetektor i verden, fanger atomiske snapshots ved 87, 000 billeder i sekundet:cirka 50 gange hurtigere end den aktuelle teknik.