Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Afdækning af den lokale atomstruktur af zeolit ​​ved hjælp af optimal lysfelt scanning transmissionselektronmikroskopi

Rekonstruktionsskema for OBF STEM og sammenligning af dosis-effektivitet baseret på SNR-overførselsfunktioner for forskellige STEM-billeddannelsesteknikker. (A) Skematisk illustration af OBF STEM billedbehandling workflow. I OBF STEM er en segmenteret detektor placeret på diffraktionsplanet, der opsamler intensiteten af ​​transmitterede/bøjede elektroner ved hver sondeposition. STEM-billederne erhvervet af hvert segment behandles derefter med frekvensfiltre for at udtrække fasekontrastkomponenten. Frekvensfiltrene udledes via STEM CTF, som har en kompleks værdi. Efterfølgende er filtrene også komplekst værdisatte og visualiseret som et farvekort, der repræsenterer fase og amplitude. Efter filtrering summeres alle billeder, og OBF-billedet syntetiseres. Da filteret beregnes via mikroskopets optiske information såsom accelerationsspænding og konvergensvinkel for sonden såvel som CTF'en, behøver OBF-rekonstruktion ikke på forhånd kendskab til prøven. (B) SNR-overførselsfunktioner af OBF og forskellige fasekontrastbilleddannelsesteknikker. CTF'er viser vinduet for kontrastoverførsel fra prøver som en funktion af rumlig frekvens. SNR-overførselsfunktionen beregnes ved at normalisere CTF'er baseret på støjniveauet ved hver rumlig frekvens i Poisson-statistikken, som viser en proportionalitetsfaktor for prøvepotentialet og elektrondosis for at bestemme SNR ved hver Fourier-komponent. Her beregnes SNR-overførselsfunktionerne ved en accelererende spænding på 300 kV, en konvergens-halvvinkel på 15 mrad og en prøvetykkelse på 10 nm, de samme betingelser som i eksperimenterne udført i denne undersøgelse. Disse overførselsfunktioner er vist som radialt gennemsnitsværdier, og OBF-teknikken viser en højere SNR-overførsel end både de konventionelle metoder (BF og ABF) og iDPC, den nyligt udviklede fasebilleddannelsesteknik. Kredit:Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

Zeolitter har unikke porøse atomstrukturer og er nyttige som katalysatorer, ionbyttere og molekylsigter. Det er vanskeligt direkte at observere materialets lokale atomstrukturer via elektronmikroskopi på grund af lav elektronbestrålingsmodstand. Som følge heraf forbliver de grundlæggende egenskab-struktur-forhold for konstruktionerne uklare.



Nylige udviklinger af en lav-elektron dosis billeddannelsesmetode kendt som optimal lysfelt scanning transmissionselektronmikroskopi (OBF STEM) tilbyder en metode til at rekonstruere billeder med et højt signal-til-støj-forhold med høj dosiseffektivitet.

I denne undersøgelse udførte Kousuke Ooe og et team af forskere inden for ingeniørvidenskab og nanovidenskab ved University of Tokyo og Japan Fine Ceramics Center lavdosis atomopløsningsobservationer med metoden til at visualisere atomare steder og deres rammer mellem to typer zeolitter. Forskerne observerede den komplekse atomare struktur af tvillingegrænserne i en faujasit-type (FAU) zeolit ​​for at lette karakteriseringen af ​​lokale atomare strukturer på tværs af mange elektronstrålefølsomme materialer.

Analyse af zeolitter i materialelaboratoriet

Zeolitter er porøse materialer, der regelmæssigt er arrangeret i porer i nanostørrelse, velegnet til en række anvendelser under katalyse, gasseparation og ionbytning. Materialeegenskaberne er tæt forbundet med poregeometrien, hvilket tillader efterfølgende interaktioner med adsorberede gæstemolekyler og ioner. Forskere har hidtil brugt diffraktometriske metoder til at analysere strukturen af ​​zeolitter.

For eksempel har materialeforskere vist, at scanningselektronmikroskopi er en kraftfuld metode til at analysere lokale strukturer for at observere det atomare arrangement af elektronresistente materialer på sub-angstrøm-niveau. Zeolitter er dog mere elektronstrålefølsomme sammenlignet med andre organiske materialer, hvilket begrænser elektronmikroskopi-baserede observationer på grund af elektronbestråling.

Optimal lysfeltsscanningstransmissionselektronmikroskopi (OBF/STEM)

I 1958 observerede materialeforsker J. W. Menter zeolitter ved hjælp af et højopløseligt transmissionselektronmikroskop for at rapportere en gitteropløsning på 14 Ångstrøm. Billeder af zeolitstrukturen blev væsentligt forbedret via avanceret billeddannelse i 1990'erne, selvom det forblev udfordrende at observere atomstederne i materialerne.

Nylige fremskridt inden for scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) elektrondetektorer har ført til mere avancerede billeddannelsesmetoder, såsom den optimale lysfelt (OBF) STEM-metode til at observere atomstrukturer ved det højeste signal-til-støj-forhold for at opnå billeder i atomopløsning i realtid.

I dette arbejde brugte Ooe og kolleger OBF-billeddannelse i realtid til at bestemme arkitekturen af ​​zeolitter ved subangstrøm opløsning. Resultaterne understregede kapaciteten af ​​avanceret elektronmikroskopi til at karakterisere den lokale struktur af strålefølsomme materialer.

Atomopløsning OBF STEM observation af en FAU zeolit ​​langs <110> zone akse. (A) Skematisk over FAU-zeolitstrukturen og den projekterede atomstrukturmodel langs <110> zoneaksen. Røde og blå polygoner repræsenterer bygningsenhederne (henholdsvis sodalitbure og D6R'er). (B) OBF STEM billede af FAU zeolit ​​observeret ved kanten af ​​prøven. Lyse pletter indikerer T- og iltsteder. Målestok, 1 nm. Den stiplede rektangulære angiver den gentagelsesenhedsstruktur, der er brugt til gennemsnitsprocessen vist i (D). (C) Fourier-transformationsspektrum af (B), hvor pletterne ses op til 0,869 Å opløsning i det virkelige rum. (D) Gentag-enhed-celle-gennemsnit af OBF-billede, som er opnået ved at beskære og tage et gennemsnit af de flere underbilleder opnået fra det rå billede vist i (B), hvilket giver en højere SNR. Indsatsen er et simuleret OBF-billede beregnet med samme observationsbetingelser som i eksperimentet. Placeringen af ​​D6R-strukturen, som er vist i (E), er fremhævet med en stiplet rektangulær. (E) Forstørret OBF-billede af det rektangulære område angivet med den røde stiplede linje i (D). De atomare strukturmodeller er tegnet ved hjælp af visualisering til elektronisk og strukturel analysesoftware. Kredit:Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

Direkte billeddannelse af atomstrukturer i zeolitter:OBF-billeddannelse i realtid vs. STEM-billeddannelse

Zeolitrammen bestod af to byggesten - sodalitbure og dobbelte 6-leddede ringe. Ved hjælp af real-time optimum bright-field-billeddannelse (OBF) opdagede holdet rammen af ​​materialet og brugte en elektronsondestrøm på 0,5 pico-angstrøm for at forhindre enhver strålerelateret skade for at analysere de typiske uorganiske materialer. De sammenlignede derefter OBF-billederne med andre scanningstransmissionselektronmikroskopibilleder opnået under lignende dosisforhold.

De eksisterende STEM-metoder viste en grundlæggende struktur af den materielle ramme; atomstrukturanalyse med denne metode var imidlertid udfordrende på grund af en lav strømdosering. I modsætning hertil tilbød OBF-billederne en mere pålidelig og fortolkelig billedkontrast med højere dosiseffektivitet.

Direkte observation af tvillingegrænsen

Forskerholdet brugte den optimale lysfeltmetode til at undersøge atomstrukturen af ​​en tvillinggrænse i zeolitstrukturen. Rammen blev lavet ved kubisk stabling af en lagdelt strukturenhed kendt som et "faujasitark". Resultaterne af billeddannelse med OBF viste et effektspektrum af billedet med en informationsoverførsel ud over 1 Ångstrøm. Billeddannelsen af ​​lavdosis lyselementer med OBF STEM tilbød et bedre alternativ til at analysere strukturen af ​​zeolitter, herunder den lokale symmetriændring.

Ooe og kolleger udførte tæthedsfunktionsteoretiske beregninger for at undersøge stabiliteten af ​​tvillingegrænsestrukturen, hvor det eksperimentelle billede stemte overens med dets simulerede modstykke.

Holdet anvendte metoden til en anden type zeolitprøve for at vise, hvordan det typiske siliciumaluminiumforhold i disse prøver er afgørende for materialeegenskaberne for at påvirke vedhæftningen af ​​ioner og molekyler. Da de anvendte metoden på en natriumbaseret zeolitprøve til atomobservationer, lettede resultaterne forestillingen om ekstra kationsteder med lav belægning i den zeolitiske ramme.

Outlook

På denne måde udtænkte Kousuke Ooe og kolleger en dosiseffektiv scanningstransmissionselektronmikroskopi-billeddannelsesmetode kendt som "optimal bright field scanning transmission elektronmikroskopi" (OBF-STEM) til lavdosis atomopløsningsbilleddannelse. Holdet viste, hvordan metoden direkte afslørede de atomare strukturer af alle elementer i et faujasit-type zeolitmateriale - et kendt strålefølsomt materiale med subangstrom rumopløsning.

Metoden kan bruges til at opdage gitterdefekter i materialerammerne. De visualiserede de atomare steder i rammen sammen med dets fangede kationer for at opnå resultater, der var i kvantitativ overensstemmelse med billedsimuleringer. Metoden er anvendelig på tværs af strålefølsomme materialer ud over zeolitter for at karakterisere den lokale atomare struktur og studere struktur-egenskabsforhold for følsomme materialer.

Flere oplysninger: Kousuke Ooe et al., Direkte billeddannelse af lokale atomstrukturer i zeolit ​​ved hjælp af optimal lysfelt-scanningstransmissionselektronmikroskopi, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

L. A. Bursill et al., Zeolitiske strukturer som afsløret ved højopløsningselektronmikroskopi, Nature (2004). DOI:10.1038/286111a0

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt , Natur

© 2023 Science X Network




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com