(Phys.org) - Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en de Ohio University hebben een krachtige techniek ontwikkeld die tegelijkertijd de chemische karakterisering en topografie van materialen op nanoschaal tot op de hoogte van een enkel atoom oplost.

De techniek combineert synchrotron röntgenstralen (SX) en scanning tunneling microscopie (STM). Bij experimenten, de onderzoekers gebruikten SX als sonde en een nanogefabriceerde slimme tip van een STM als detector.

Met behulp van deze techniek, onderzoekers ontdekten de chemische vingerafdruk van individuele nikkelclusters op een koperen oppervlak met een laterale resolutie van twee nanometer (nm), en bij de ultieme gevoeligheid voor één atoomhoogte. Door de fotonenergie te variëren, de onderzoekers gebruikten het verschil in fotoabsorptiedwarsdoorsneden voor nikkel en het kopersubstraat om een ​​enkel-nikkel nanocluster chemisch af te beelden - en opende zo de deur naar nieuwe mogelijkheden voor chemische beeldvorming van materialen op nanoschaal. Tot nu, een ruimtelijke limiet van ongeveer 10 nm haalbaar was, en de onderzoekers zouden tegelijkertijd een groot monstergebied bemonsteren. De onderzoekers hebben de ruimtelijke resolutie verbeterd tot 2 nm.

"Beeldvorming met directe chemische gevoeligheid is al lang een doel sinds de ontwikkeling van scanning tunneling microscopen in de jaren tachtig, " zei Volker Rose, een fysicus in de X-ray Science Division. "Het was erg spannend toen we elementair contrast van een materiaal op slechts één atomaire laaghoogte verkregen".

"Dit is een huwelijk tussen twee van de krachtigste instrumenten van de materiaalwetenschap, " zei Saw-Wai Hla, leider in de groep van elektronische en magnetische materialen en apparaten in Argonne's Nanoscience &Technology Division. "We hebben nu een instrument dat de functies van STM en röntgenstralen in één enkele setting kan uitvoeren, en daarom heeft het een groot potentieel om de materiaalkarakterisering te revolutioneren."

Om het experiment uit te voeren, onderzoekers gebruikten de bundellijn 26-ID van het Center for Nanoscale Materials (CNM) bij de Advanced Photon Source (APS), die is uitgerust met twee collineaire undulator-apparaten die dienen als de röntgenbron en een monochromater met dubbele kristallen die de fotonenergie selecteert. De röntgenstralen werden door een bundelchopper geleid om de bundel snel aan en uit te zetten en vervolgens de punt/monster-overgang in de SX-STM te verlichten. Dit maakte de zeer gevoelige lock-in-detectie van de door röntgenstraling geïnduceerde stromen mogelijk.

Het experiment werd uitgevoerd bij kamertemperatuur, die zeer geschikt is voor de behoeften van de meeste fysieke, chemisch, toepassingen van biologische en nanomaterialen. Het team verwacht dat een nog hogere ruimtelijke resolutie mogelijk wordt met een nieuw instrument dat momenteel in ontwikkeling is.

"De volgende stap zal zijn om de nieuwe techniek uit te breiden naar lage temperaturen, " merkt Rose op. "Onze metingen geven aan dat atomaire resolutie haalbaar kan zijn bij 5 K (ongeveer negatief 450 F)."

Dit onderzoek werd gefinancierd door het DOE Office of Science Early Career Research Program. De APS en CNM zijn DOE Office of Science User Facilities in Argonne.

Nozomi Shirato, Marvin Cummings en Benjamin Stripe, postdoctorale aangestelden in Argonne, en Heath Kersell en Yang Li, afgestudeerde studenten natuurkunde aan de Ohio University, hielpen bij het uitvoeren van de experimenten. Saw-Wai Hla en Volker Rose, van Argonne, ontwierp het experiment en Daniel Rosenmann, van Argonne, maakte de slimme tip. Curt Preissner, van Argonne's APS Engineering Support Division, technische ondersteuning geboden, en Jon Hiller, voorheen van CNM's Electron Microscopy Center-groep, geholpen om de slimme tip te maken.