(Phys.org) — In de afgelopen drie decennia hebben scanning tunneling microscopie (STM) is snel een belangrijk onderdeel geworden van de gereedschapskist voor fysica van de gecondenseerde materie. Hoewel STM enorme hoeveelheden gegevens over de elektronische structureel, en magnetische eigenschappen van materialen bij atomaire resolutie, zijn achilleshiel is zijn onvermogen om elementaire soorten te karakteriseren. Maar een team van Argonne National Laboratory en Ohio University heeft een manier gevonden om deze beperking te omzeilen door STM te combineren met de spectroscopische veelzijdigheid van synchrotron-röntgenstralen, het bereiken van chemische vingerafdrukken van individuele nikkelclusters op een koperoppervlak met een resolutie van 2 nm, het creëren van een krachtig en veelzijdig beeldvormingsinstrument op nanoschaal met een opwindende belofte en potentieel voor de materiaal- en biologische wetenschappen. Hun werk werd gepubliceerd in Nano-letters .

Werken bij het Center for Nanoscale Materials (CNM)/X-ray Science Division 26-ID beamline van de Advanced Photon Source van het Amerikaanse Department of Energy, de onderzoekers maakten gebruik van enkele nieuwe technologische innovaties die werden ontwikkeld door de onderzoekers van Argonne.

Echter, het team moest enkele experimentele hindernissen overwinnen om STM te combineren met synchrotron-röntgenstralen. De resolutie en gevoeligheid van STM kan nadelig worden beïnvloed door foto-uitgeworpen elektronen uit het monster die de meting van tunneleffecten verstoren.

De Argonne-onderzoekers hebben een nano-gefabriceerde "slimme tip" voor de scanning tunneling-microscoop uitgevonden en gepatenteerd die de detectie van elektronen scherp focust, uitsluitend op die verzameld aan de scantip waar het interageert met het monster, het negeren van de achtergrondelektronen van de zijwanden van de punt. De verschillende coatings voor de slimme tip werden gekweekt bij de CNM, en vervolgens werd de punttop belicht via gefocusseerde ionenbundelfrezen uitgevoerd in het CNM Electron Microscopy Center (EMC). (De APS, CNM, en EMC in Argonne zijn gebruikersfaciliteiten van het Office of Science.)

Het team ontwikkelde ook een filtercircuit dat de chemische en magnetische gegevens scheidt van de door röntgenstraling geïnduceerde stromen en topografische gegevens van conventionele tunneleffecten in twee kanalen, waardoor ze afzonderlijk kunnen worden opgenomen zonder onderlinge interferentie.

Door gebruik te maken van de aanzienlijk verbeterde resolutie en gevoeligheid die mogelijk zijn gemaakt door deze vooruitgang in synchrotron röntgentunnelmicroscopie (SX-STM), het experimentteam van Argonne/Ohio University analyseerde nikkelclusters die op een koperoppervlak waren afgezet. Gebruikelijk, omdat chemische vingerafdrukken met behulp van röntgenstralen gebaseerd zijn op foto-ionisatiedoorsneden, dergelijke metingen worden gemiddeld over een vrij groot oppervlak en diepte. Maar de nieuwe techniek was in staat om een ​​foto-ionisatiedwarsdoorsnede van een enkele nikkelcluster op het monsteroppervlak af te beelden en te verkrijgen met een resolutie van 2 nm.

"We hebben een wereldrecord aangetoond in de ruimtelijke resolutie van chemische beeldvorming met behulp van synchrotron x-ray scanning tunneling microscopie, " zei Saw-Wai Hla, een co-auteur van het artikel Nano Letters.

"Dit heeft een enorme impact op veel wetenschappelijke gebieden, waaronder materiaalkunde, scheikunde, en energiematerialen, ", aldus co-auteur Volker Rose.

Zowel die opmerkelijke resolutie als de precieze chemische vingerafdrukken van individuele nikkelnanoclusters waren ook duidelijk zichtbaar in de topografische afbeeldingen van het monsteroppervlak, zelfs tot de hoogte van een enkel atoom. De onderzoekers merken op dat de dikte van individuele clusters geen effect lijkt te hebben op de contrastintensiteit van hun chemische handtekening. Ze suggereren dat, omdat tunnelen een lokaal effect is dat alleen gevoelig is voor de bovenste laag materialen, dit fenomeen, zoals topografisch waargenomen, is het gevolg van het tunnelen van door röntgenstraling geëxciteerde foto-elektronen uit toestanden tussen het Fermi-niveau en de werkfunctie.

Terwijl de huidige experimenten bij kamertemperatuur werden uitgevoerd, de onderzoekers verwachten een nog betere resolutie in SX-STM bij veel lagere temperaturen.

Zelfs in zijn huidige vorm, de hier gedemonstreerde technieken kunnen een revolutie teweegbrengen in beeldvorming op nanoschaal in gebieden die veel verder gaan dan de materiaalwetenschap, inclusief elektronica en biologie. Door de inherente beperkingen van zowel STM- als röntgenmicroscopie te overwinnen, dit nieuwe werk heeft ook de sterke punten van elk gecombineerd om een ​​krachtig en veelzijdig imaging-instrument te creëren met een opwindende belofte en potentieel.