Ny teknik løser effektivt kemi af nanopartikler

(Phys.org) - En ny teknik fra Pacific Northwest National Laboratory og FEI Company lader forskere effektivt løse elementers placeringer i tre dimensioner. Teamets teknik kombinerer scanningstransmissionselektronmikroskopi og røntgenenergidispersiv spektrometri med et nyt detektorarrangement og en lysere elektronstråle. Resultatet er et tredimensionelt kort over elementernes placering på en prøve, der er mindre end en enkelt blodcelle. Holdet anvendte denne teknik til et lithium-rigt nikkelbaseret materiale, der kunne være en del af morgendagens batterier. De opdagede, hvordan nikkel adskilte sig væk fra andre elementer på materialets overflade.

"Denne teknik gav os vores hurtigste, reneste udsigt endnu, "sagde Dr. Chongmin Wang, en materialeforsker med det nationale laboratorium's Chemical Imaging Initiative. "Papiret viser sig populært; det er det Ultramikroskopi 's mest downloadede artikel i de sidste 90 dage. "

Videnskabsfolk, sammen med resten af ​​befolkningen, ønsker svar hurtigt og præcist, så de kan fokusere på det, der betyder mest. Holdets teknik giver præcise 3D -kemiske billeder i timer, ikke dage, og undgår tid og omkostninger ved omformning af prøver og transport af dem til andre instrumenter. De oplysninger, der genereres ved denne teknik, kan hjælpe med forsæt, versus forsøg og fejl, materialedesign af længere varighed, batterier med højere kapacitet.

Teamets metode kombinerer højvinklet ringformet mørkfeltscanningstransmissionselektronmikroskopi med røntgenenergidispersiv spektrometri. Mikroskopien giver detaljerede oplysninger om komplekse arkitekturer, mens spektrometri tilvejebringer den elementære fordeling.

For spektrometri, teamet arrangerede fire vinduesløse siliciumdriftdetektorer omkring prøven. Detektorerne, med forbedret tiltrespons, scannede hurtigt prøven. Fordi elektronstrålen ikke blev på et enkelt sted i mere end 25 mikrosekunder, forskerne undgik "parkering" -problemer, hvor elektronstrålen hænger på et enkelt sted og beskadiger prøven. Scanningerne fra de fire detektorer blev kombineret og forbundet med mikroskopioplysningerne ved hjælp af specialiseret software.

Denne teknik er hurtigere og giver et bredere synsfelt end mere traditionelle 3D-teknikker såsom scanningselektronmikroskopi kombineret med elektronenergitabspektrometri eller atomprobes tomografi. Om 3 timer, teamet opnåede datasæt fra 29 mikroskopibilleder og elementære kort. Andre teknikker kan tage op til en dag og giver ikke et så klart billede. Yderligere, dette enkelt instrument giver et bredere felt end lignende kemiske teknikker og giver forskere mulighed for at se individuelle partikler uden yderligere forberedelse, der kan ændre den oprindelige struktur.

"Det er nu muligt at få 3D -sammensætningskort fra nanopartikler i deres oprindelige tilstand og reducere den samlede tid til at rekonstruere kemisk information, "sagde Dr. Libor Kovarik, en PNNL -videnskabsmand på holdet.

Teamet fortsætter med at undersøge, hvordan elementer aggregerer og driver i lithium-ion-batterier og andre energilagringsmaterialer. Ud over, de forfiner deres kemiske billeddannelsesteknikker, stræber efter at give bedre måder at indsamle detaljerede oplysninger på.