Transmissionselektronmikroskopteknik afslører atomiske bevægelser, der er nyttige for næste generations enheder

Livet i nanobanen er hurtigt og er lige blevet hurtigere med hensyn til viden om grundlæggende mekanismer, der arbejder på nanoskalaen - hvor processer drives af en dans af partikler som atomer og ioner en milliarddel af en meter i størrelse.

Fremme forståelse af nanoskala, et hold kinesiske forskere har udviklet en visualiseringsteknik baseret på in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM), som tilbyder ny og kraftfuld funktionalitet. Det korrelerer direkte strukturen i atomare skala med fysiske og kemiske egenskaber.

Forskerne forklarer, hvordan deres fund er vigtigt for design og fremstilling af den næste generation af teknologiske enheder i denne uge i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver . Dette arbejde har potentielle applikationer, der spænder fra smarte vinduer baseret på elektrokrom teknologi, der ændrer farvetone, når et elektrisk felt påføres en vinduesoverflade, at ændre dens opacitet som reaktion på spænding, til nye enheder til styring af energi, information og miljø.

Forsker Xuedong Bai, Ph.D., af Beijings National Laboratory for Condensed Matter Physics og Institute of Physics, det kinesiske videnskabsakademi, og Collaborative Innovation Center of Quantum Matter, leder et team, der også samarbejder med International Center for Quantum Materials, Fysikskolen, Peking Universitet.

"På nuværende tidspunkt atommekanismen af ​​nye enheder til energi, information og miljøapplikationer er et vigtigt emne, " sagde Bai. "I real-time billeddannelse af atomare processer i fysiske og kemiske fænomener er opgaven med in situ TEM-teknikken. Et mål med vores forskning er at forstå de grundlæggende principper for de tilgængelige enheder fra atomskala, en anden er at udforske de revolutionære enheder baseret på in situ TEM-billeddannelse af de atomare processer."

I den nobelprisvindende TEM-teknologi, en elektronstråle - i stedet for en lysstråle, der bruges i traditionelle mikroskoper - transmitteres gennem en metalprøve, der undersøges. På grund af de mindre bølgelængder af elektroner, TEM-teknologi giver efterforskere meget højere opløsning, så de kan se flere detaljer, end det er muligt med et lysmikroskop.

Bai understreger, at forholdet mellem struktur og egenskab er en grundlæggende interesse i materialevidenskab. Imidlertid, en begrænsning for at undersøge dette forhold er, at strukturkarakteriseringen og egenskabsmålingerne normalt udføres separat, ved konventionelle metoder, især for materialer i nanoskala. Deres nye træk involverede at kombinere disse trin.

"I de sidste 15 år, vores arbejde har været fokuseret på konstruktion og anvendelse af in situ transmissionselektronmikroskopi (TEM) teknik, så egenskaberne på nanoskala under forskellige fysiske stimuli, inklusive elektriske og optiske, er blevet studeret i TEM, " sagde Bai.

I særdeleshed, holdet fokuserede på et af de mest udbredte elektrokemiske materialer, wolframoxid, og en kritisk faseovergang af dens produktion. Ved at bruge deres strømlinede TEM-teknik inde i en elektrokemisk celle, deres mikroskopiske, dynamiske observationer afslørede detaljerede mekanismer i realtid involveret i dannelsen og udviklingen af ​​elektrokemiske wolframoxid nanotråde, der har mange anvendelser i industrien.

Et af de mest interessante aspekter af deres undersøgelse var at undersøge ionelektromigrationsprocesserne og deres inducerede dynamiske strukturelle transformation. De fandt, at disse er tæt forbundet med den elektrokemiske ydeevne, og fik indsigt i det brede potentiale for in situ TEM billeddannelsesundersøgelser.

"Nye egenskaber og vigtige videnskabelige bekymringer kan afsløres ved in situ TEM-billeddannelse, for eksempel, den elektrisk drevne redoxproces, besættelsesstedet for lithium-atomer i driften af ​​lithium-ion-batterier, og masseoverførslen i den elektromekaniske reaktionscelle, kan alle drage fordel af in situ TEM-billeddannelse, " sagde Bai.

Til deres næste skridt, forskerne udvider in situ TEM-billeddannelsesteknikken i atomskala til at kombinere den med ultrahurtig optisk spektroskopi. Med denne udvidelse, billeddannelse i høj opløsning i både rum og tid vil være mulig.