To gode ting, der er bedre sammen:STM kombineret med røntgensynkrotronmikroskopi

(Phys.org) — I løbet af de sidste tre årtier, scanning tunneling microscopy (STM) er hurtigt blevet en vigtig bestanddel af fysikværktøjskassen for kondenseret stof. Mens STM kan levere enorme mængder af data om det elektroniske, strukturel, og magnetiske egenskaber af materialer ved atomopløsning, dens akilleshæl er dens manglende evne til at karakterisere elementære arter. Men et hold fra Argonne National Laboratory og Ohio University har fundet en vej rundt om denne begrænsning ved at kombinere STM med den spektroskopiske alsidighed af synkrotron røntgenstråler, opnåelse af kemisk fingeraftryk af individuelle nikkelklynger på en kobberoverflade ved en opløsning på 2 nm, skabe et kraftfuldt og alsidigt billeddannelsesværktøj i nanoskala med spændende løfter og potentiale for materialer og biologiske videnskaber. Deres arbejde blev udgivet i Nano bogstaver .

Arbejder på Center for Nanoscale Materials (CNM)/X-ray Science Division 26-ID beamline af US Department of Energy's Advanced Photon Source, forskerne udnyttede nogle nye teknologiske innovationer udviklet af Argonne-forskere.

Imidlertid, holdet måtte overvinde nogle eksperimentelle forhindringer for at kombinere STM med synkrotron røntgenstråler. Opløsningen og følsomheden af ​​STM kan blive negativt påvirket af fotoejekterede elektroner fra prøven, der forstyrrer målingen af ​​tunneleffekter.

Argonne-forskerne opfandt og patenterede en nanofabrikeret "smart spids" til scanningstunnelmikroskopet, der skarpt fokuserer detektion af elektroner udelukkende til dem, der er opsamlet ved scanningsspidsen, hvor det interagerer med prøven. ignorerer baggrundselektronerne fra spidsens sidevægge. De forskellige belægninger til den smarte spids blev dyrket på CNM, og derefter blev spidsens spids eksponeret via fokuseret ionstrålefræsning udført ved CNM Electron Microscopy Center (EMC). (APS, CNM, og EMC i Argonne er Office of Science brugerfaciliteter.)

Holdet udviklede også et filterkredsløb, der adskiller de kemiske og magnetiske data fra de røntgen-inducerede strømme og topografiske data fra konventionelle tunneleffekter i to kanaler, giver dem mulighed for at blive optaget separat uden gensidig indblanding.

Ved at bruge den markant forbedrede opløsning og følsomhed, der er muliggjort med disse fremskridt inden for synkrotron røntgen tunnelmikroskopi (SX-STM), Argonne/Ohio University-eksperimentholdet analyserede nikkelklynger aflejret på en kobberoverflade. Som regel, fordi kemisk fingeraftryk ved hjælp af røntgenstråler er baseret på fotoioniseringstværsnit, sådanne målinger beregnes i gennemsnit over et ret bredt overfladeareal og dybde. Men den nye teknik var i stand til at afbilde og opnå et fotoioniseringstværsnit af en enkelt nikkelklynge på prøveoverfladen med en opløsning på 2 nm.

"Vi har demonstreret en verdensrekord i den rumlige opløsning af kemisk billeddannelse ved hjælp af synkrotron røntgen scanning tunneling mikroskopi, " sagde Saw-Wai Hla, en medforfatter til Nano Letters-artiklen.

"Dette har en enorm indvirkning på mange videnskabelige områder, herunder materialevidenskab, kemi, og energimaterialer, " sagde medforfatter Volker Rose.

Både den bemærkelsesværdige opløsning og den præcise kemiske fingeraftryk af individuelle nikkel-nanoklynger var også tydeligt tydelige i de topografiske billeder af prøveoverfladen, selv ned til højden af ​​et enkelt atom. Forsøgslederne bemærker, at tykkelsen af ​​individuelle klynger ikke ser ud til at have nogen effekt på kontrastintensiteten af ​​deres kemiske signatur. De foreslår, at fordi tunnelering er en lokal effekt, der kun er følsom over for det øverste lag af materialer, Dette fænomen, som observeret topografisk, skyldes tunnelering af røntgen-exciterede fotoelektroner fra tilstande mellem Fermi-niveauet og arbejdsfunktionen.

Mens de nuværende eksperimenter blev udført ved stuetemperatur, forskerne forventer at opnå endnu bedre opløsning i SX-STM ved langt lavere temperaturer.

Selv i sin nuværende form, de teknikker, der er demonstreret her, kan revolutionere billeddannelse i nanoskala i riger langt ud over materialevidenskab, herunder elektronik og biologi. Ved at overvinde de iboende begrænsninger af både STM og røntgenmikroskopi, dette nye værk har også kombineret styrkerne ved hver for at skabe et kraftfuldt og alsidigt billedværktøj med et spændende løfte og potentiale.