Direkte observation af atombevægelser i elektronisk mikroskopi i realtid

Atomisk bevægelse i et krystallinsk oxid, der blev brugt som katode i Li-ion-batterier, blev direkte demonstreret ved hjælp af topmoderne transmissionselektronmikroskopi, afslører den forbigående vej for en kemisk ordningsreaktion.

Selvom to krystallinske systemer har en identisk krystalstruktur med den samme overordnede sammensætning, deres fysiske egenskaber kan bemærkelsesværdigt variere i forhold til hinanden, stærkt afhængig af, om de sammensatte atomer er ordnet ordnet eller ej. Identifikationen og efterfølgende kontrol af den kemiske bestilling i flerkomponentkrystallinske systemer har, dermed, været blandt de centrale spørgsmål inden for strukturel kemi i løbet af de sidste årtier. En række binære metalliske legeringer tjener som prototypiske eksempler, der ligefrem demonstrerer, hvordan graden af ​​kemisk orden påvirker de resulterende fysiske egenskaber, såsom elektrisk modstand, magnetisk modtagelighed, og plastisk deformationsadfærd af krystaller. Ud over, mange bemærkelsesværdige undersøgelser er blevet udvidet, selv til belysning af lokal kemisk bestilling og visualisering af atomskala-udveksling, der forstyrrer for bedre katalytisk ydeevne og energiomdannelse/lagringseffektivitet.

Prof. Sung-Yoon Chungs gruppe i Graduate School of EEWS (Energy, Miljø, Vand, og bæredygtighed) ved Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) har med succes demonstreret, hvordan kationbestillingen sker i Li (Mn1.5Ni0.5) O4 spinel, som er et lovende katodemateriale til højspændings Li-ion batterier. For konsekvent at levere en integreret samling af eksperimentelle og teoretiske beviser, kombinerede teknikker blev anvendt, herunder højopløselig elektronmikroskopi (HREM) og scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) til direkte observationer i atomskala, in situ-billedoptagelse i STEM og høj temperatur røntgenpulverdiffraktion til undersøgelser i realtid, og densitetsfunktionelle teori (DFT) beregninger til kvantitativ estimering af energibarrieren under bestilling. I særdeleshed, atombevægelser under ordreovergangen blev klart fanget i realtid i STEM.

En elektronstråle accelereret med høj spænding i TEM kan overføre tilstrækkelig energi til en prøve, og på dette grundlag, denne fremgangsmåde er blevet korrekt udnyttet i de seneste in situ-undersøgelser til observationer i realtid vedrørende fasetransformationen, krystalforstørrelse, og diffusion af atomer. I denne undersøgelse, at fremkalde atomforskydningsprocessen og efterfølgende undersøge dannelsen af ​​punktdefekter i Li (Mn1.5Ni0.5) O4, en intensiveret konvergent elektronstråle blev påført på smalle områder i en uordnet krystal i STEM. Selvom der ikke blev observeret nogen strukturvariation under scanning med elektroner i normal billedbehandlingstilstand, dynamisk udsving i søjleintensiteten mellem de oktaedriske steder kunne identificeres, når en elektronstråle med en højere strøm (> 50 pA) scannede et begrænset område på 3 × 3 nm2.

Resultaterne i denne undersøgelse illustrerer, at den hastighed, hvormed ordreovergangen finder sted, afhænger stærkt af, hvor let punktdefekterne kan induceres i gitteret. Ud over at belyse den kinetiske vej til bestilling af transformation, den foreliggende undersøgelse understreger, at punktdefekters rolle i krystaller ikke kun er begrænset til masse- og ladningstransport generelt, men også strækker sig til faseovergange, hvor disse defekter fungerer som en kritisk formidler mellem to faser.

Dette værk blev offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition (2015, 54, 7963-7967) og blev valgt som problemets indvendige bagside på grund af betydningen af ​​den direkte observation i dette hurtigt udviklende område med stor interesse.