Forskere udvikler metode til at måle positioner af atomsteder med ny præcision

(Phys.org)-Ved hjælp af et topmoderne mikroskop og nye metoder til billedbehandling, et multiinstitutionelt team af forskere har udtænkt en opfindsom måde at måle placeringen af ​​enkelte atomsteder i materialer mere præcist end nogensinde før.

I et papir, der blev offentliggjort den 11. juni, 2014 i journalen Naturkommunikation , holdet demonstrerede evnen til at lokalisere atomer i billeder i høj opløsning af materialer til bedre end et picometer, eller en hundrededel af en nanometer. Det er mere end fem gange bedre end tidligere billeddannelsesmetoder.

Andrew Yankovich, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin-Madison, er den første forfatter på papiret.

Den nye teknik gør det muligt for forskere at lokalisere tidligere uopdagelige skift af enkelte atomsteder i et materiale. Indsigt i disse atomskift kan hjælpe med at bane vejen for innovative nye materialer.

"Inden vores arbejde, forskere kunne bruge røntgendiffraktionsteknikker til at måle millioner af atomer ad gangen, og hvis en hel flok af disse atomer bevæger sig lidt tættere eller lidt længere fra hinanden, det skift er målbart, "siger medforfatter Paul Voyles, lektor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison.

Selvom røntgendiffraktion stadig er en bedre måde at måle skift, der involverer et stort antal atomer til meget højere præcision, det giver ikke nyttige målinger for bestemte strukturer, hvor forskere forsøger at måle skift i kun få atomer.

"Nu, med denne nye teknik, vi kan sige 'dette atom bevægede sig lidt tættere på det atom - og vi taler kun om disse to atomer, "siger Voyles." Det giver os mulighed for at besvare spørgsmål om den atomare oprindelse af funktionen af ​​helt nye materialeklasser, ligesom metal nanopartikel katalysatorer, der var meget svære at måle før. "

Selvom Voyles og hans team bruger et state-of-the-art scanning transmissionselektronmikroskop (STEM) på UW-Madison til at indsamle eksperimentelle data, at måle atomstrukturer på picometerskalaen er ekstremt vanskelig, siger Voyles.

"Hvis noget bevæger sig - sondebjælken af ​​elektroner, prøven, selve mikroskopet, eller den elektriske strøm, der strømmer i nogen af ​​linserne - så tilføjer det ustabilitet til billedet, hvilket betyder, at atomer bevæger sig væk fra det sted, de burde være i billedet, "siger Voyles." STEM er ekstremt følsom over for det miljø, det sidder i. "

Voyles startede dette forskningsprojekt, fordi han ledte efter en løsning på disse instrumentelle ustabiliteter, hvilket begrænsede evnen til at foretage mere præcise målinger af atomsteder.

Voyles siger, at tværfagligt samarbejde spillede en afgørende rolle i løsningen af ​​problemet. Han mødte sine samarbejdspartnere på en workshop arrangeret af medforfattere Peter Binev og Wolfgang Dahmen ved det tværfaglige matematiske institut ved University of South Carolina, som inviterede Voyles og andre inden for elektronmikroskopi til at tale om udfordringer inden for deres område. Han gik sammen med eksperter i anvendt matematik og billedbehandling for at lede efter løsninger.

Voyles siger, at gennembruddet kom, da teamet fandt nye og smarte måder at kombinere datavidenskabsteknikker fra anvendt matematik til at arbejde med STEM -materialedata. Resultatet var en ny kombination af matematik og algoritmer, indbygget i et softwareværktøj.

Den nye teknik indebærer at bruge STEM til at tage omkring 500 billeder af en prøve så hurtigt som muligt. Billederne burde alle være de samme - men det er de ikke, fordi ustabiliteten kan få atomer til at dukke op i de forkerte positioner. For at rette op på dette, forskerne bruger en algoritme til at estimere alle ustabiliteten i hvert billede og fortryde dem, giver korrigerede billeder med et nyt præcisionsniveau.

De næste trin ville være at forbedre brugervenligheden og effektiviteten af ​​softwaren og gøre den bredt tilgængelig.

"Jeg tror, ​​at der er en stor mulighed for fortsat tværfagligt samarbejde af en lignende type, som vi har gjort, at skubbe frem til nye svar på videnskabelige spørgsmål, "siger Voyles.