Kraftfuld ny teknik bestemmer samtidig nanomaterialers kemiske makeup, topografi

(Phys.org) - Et team af forskere fra det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory og Ohio University har udtænkt en kraftfuld teknik, der samtidig løser kemisk karakterisering og topografi af nanoskala materialer ned til højden af ​​et enkelt atom.

Teknikken kombinerer synkrotron røntgenstråler (SX) og scanning tunneling mikroskopi (STM). I forsøg, forskerne brugte SX som sonde og en nanofabrikeret smart spids af en STM som detektor.

Ved hjælp af denne teknik, forskere opdagede det kemiske fingeraftryk af individuelle nikkelklynger på en kobberoverflade ved en to-nanometer (nm) lateral opløsning, og ved den ultimative følsomhed for enkelt atomhøjde. Ved at variere fotonenergien, forskerne brugte forskellen i fotoabsorptions tværsnit til nikkel og kobbersubstratet til kemisk at forestille et nanokluster med enkelt nikkel - og åbnede dermed døren for nye muligheder for kemisk billeddannelse af nanoskala materialer. Indtil nu, en rumlig grænse på kun 10 nm kunne opnås, og forskerne ville samtidigt prøve et stort prøveområde. Forskerne har forbedret den rumlige opløsning til 2 nm.

"Billeddannelse med direkte kemisk følsomhed har været et mangeårigt mål, siden scanning af tunnelmikroskoper blev udviklet i løbet af 1980'erne, sagde Volker Rose, en fysiker i røntgenforskningsafdelingen. "Det var meget spændende, da vi opnåede elementær kontrast af et materiale i kun en atomlagshøjde".

"Dette er et ægteskab mellem to af de mest magtfulde instrumenter inden for materialevidenskab, "sagde Saw-Wai Hla, gruppeleder for elektroniske og magnetiske materialer og enheder i Argonne's Nanoscience &Technology Division. "Vi har nu et instrument, der kan udføre funktionerne ved STM og røntgenstråler i en enkelt indstilling, og derfor har det et stort potentiale for at revolutionere materialets karakterisering. "

For at gennemføre eksperimentet, forskere brugte Center for Nanoscale Materials (CNM) beamline 26-ID ved Advanced Photon Source (APS), som er udstyret med to kollinære undulator-enheder, der fungerer som røntgenkilde og et dobbeltkrystalmonokromater, der vælger fotonergien. Røntgenstrålerne blev ført gennem en strålehakker for hurtigt at tænde og slukke strålen og derefter belyse spids/prøveforbindelsen i SX-STM. Dette muliggjorde den meget følsomme lock-in-detektion af de røntgeninducerede strømme.

Forsøget blev udført ved stuetemperatur, som er velegnet til behovene hos de fleste fysiske, kemisk, biologiske og nanomaterialer. Teamet forventer, at endnu højere rumlig opløsning kan blive mulig med et nyt instrument, der er under udvikling.

"Det næste trin vil være at udvide den nye teknik til lave temperaturer, "bemærker Rose." Vores målinger indikerer, at atomopløsning kan opnås ved 5 K (ca. 450 F). "

Denne forskning blev finansieret af DOE Office of Science Early Career Research Program. APS og CNM er DOE Office of Science brugerfaciliteter placeret i Argonne.

Nozomi Shirato, Marvin Cummings og Benjamin Stripe, postdoktorer i Argonne, og Heath Kersell og Yang Li, kandidatstuderende i fysik ved Ohio University, hjalp med at gennemføre eksperimenterne. Saw-Wai Hla og Volker Rose, af Argonne, designet eksperimentet og Daniel Rosenmann, af Argonne, lavede det smarte tip. Curt Preissner, fra Argonnes APS Engineering Support Division, ydet teknisk support, og Jon Hiller, tidligere i CNM's Electron Microscopy Center -gruppe, været med til at lave det smarte tip.