Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Irvine heeft een nieuwe scanning transmissie-elektronenmicroscopiemethode ontwikkeld die visualisatie van de elektrische ladingsdichtheid van materialen bij sub-angstrom-resolutie mogelijk maakt.

Met deze techniek, de UCI-wetenschappers waren in staat om de elektronenverdeling tussen atomen en moleculen te observeren en aanwijzingen te vinden voor de oorsprong van ferro-elektriciteit, het vermogen van bepaalde kristallen om spontane elektrische polarisatie te bezitten die kan worden geschakeld door het aanleggen van een elektrisch veld. Het onderzoek, wat wordt benadrukt in een studie die vandaag is gepubliceerd in Natuur , onthulde ook het mechanisme van ladingsoverdracht tussen twee materialen.

"Deze methode is een vooruitgang in elektronenmicroscopie - van het detecteren van atomen tot het afbeelden van elektronen - die ons zou kunnen helpen nieuwe materialen te ontwikkelen met de gewenste eigenschappen en functionaliteiten voor apparaten die worden gebruikt in gegevensopslag, energieconversie en kwantumcomputers, " zei teamleider Xiaoqing Pan, UCI's Henry Samueli Endowed Chair in Engineering en een professor in zowel materiaalwetenschap en engineering als natuurkunde en astronomie.

Gebruikmakend van een nieuwe aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop met een fijne elektronensonde van een halve angström en een snelle-directe elektronendetectiecamera, zijn groep was in staat om een ​​2D-rasterafbeelding te maken van diffractiepatronen uit een interessegebied in het monster. zoals verkregen, de datasets zijn 4-D, omdat ze bestaan ​​uit 2D-diffractiepatronen van elke sondelocatie in een 2D-scangebied.

"Met onze nieuwe microscoop, we kunnen routinematig een elektronensonde vormen zo klein als 0,6 angstrom, en onze hogesnelheidscamera met hoekresolutie kan 4-D STEM-beelden met 512 x 512 pixels met meer dan 300 frames per seconde verwerven, " zei Pan. "Met behulp van deze techniek, we kunnen de verdeling van de elektronenlading tussen atomen in twee verschillende perovskietoxiden zien, niet-polair strontiumtitanaat en ferro-elektrisch bismutferriet."

Elektronenladingsdichtheid in bulkmaterialen kan worden gemeten met röntgen- of elektronendiffractietechnieken door een perfect defectvrije structuur aan te nemen binnen het door de bundel verlichte gebied. Maar, Pan zei, er blijft een uitdaging bij het oplossen van elektronenladingsdichtheid in nanogestructureerde materialen bestaande uit interfaces en defecten.

"In principe, lokaal elektrisch veld en ladingsdichtheid kunnen worden bepaald door middel van elektronendiffractiebeeldvorming met behulp van een aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop met een sub-angstrom elektronensonde, zei hij. Terwijl hij door een monster drong, de elektronenstraal interageert met het interne elektrische veld van materiaal in zijn pad, resulterend in een verandering in het momentum dat wordt weerspiegeld in het diffractiepatroon. Door deze verandering te meten, het elektrische veld in een lokaal gebied van het monster kan worden afgebakend, en de ladingsdichtheid kan worden afgeleid."

Pan voegde eraan toe dat hoewel dit principe is aangetoond in simulaties, geen enkel experiment is tot nu toe succesvol geweest.

"De kaarten van de elektronenladingsdichtheid die zijn verkregen met behulp van de 4-D STEM-methode komen overeen met de theoretische resultaten van de eerste-principeberekeningen, " zei hoofdauteur Wenpei Gao, een UCI postdoctoraal onderzoeker in materiaalwetenschap &techniek. "De studie van de ferro-elektrische / isolator-interface tussen bismutferriet en strontiumtitanaat met behulp van deze techniek laat direct zien hoe kenmerken van de polaire atomaire structuur van de bismutverbinding over de interface lekken, die voorkomen in het normaal niet-polaire strontiumtitanaat. Als resultaat, het grensvlak herbergt overtollige elektronen die beperkt zijn tot een klein gebied van minder dan 1 nanometer dik."

Pan zei dat dit project materiaalwetenschappers en ingenieurs nieuwe tools geeft voor het evalueren van structuren, defecten en interfaces in functionele materialen en nanodevices. Hij merkte op dat het binnenkort mogelijk kan zijn om high-throughput mapping uit te voeren van de ladingsdichtheid van materialen en moleculen om toe te voegen aan de database met eigenschappen die helpen bij het Materials Genome Initiative.

"Terwijl elektronenmicroscopie vordert van het afbeelden van atomen naar het onderzoeken van elektronen, het zal leiden tot nieuw begrip en ontdekking in materiaalonderzoek, " zei co-auteur Ruqian Wu, UCI-hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, die het theoretische werk van de studie leidde. "Het vermogen om de verdeling van de ladingsdichtheid rond atomen in de buurt van interfaces af te beelden, korrelgrenzen of andere vlakke defecten openen nieuwe velden voor elektronenmicroscopie en materiaalwetenschap."