Voor het eerst in de lange en geroemde geschiedenis van scanning-elektronenmicroscopie, de unieke atomaire structuur aan het oppervlak van een materiaal is opgelost. Deze mijlpaal in wetenschappelijke beeldvorming werd mogelijk gemaakt door een nieuwe analytische techniek ontwikkeld door een multi-institutioneel team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

"We hebben een redelijk directe methode ontwikkeld om de atomaire structuur van een oppervlak te bepalen die ook het zeer uitdagende probleem van begraven interfaces aanpakt, " zegt Jim Ciston, een stafwetenschapper bij het National Center for Electron Microscopy (NCEM) bij de Molecular Foundry, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "Hoewel oppervlakte-atomen een minuscule fractie vertegenwoordigen van het totale aantal atomen in een materiaal, deze atomen sturen een groot deel van de chemische interacties van het materiaal met zijn omgeving aan."

Ciston is de leidende en corresponderende auteur van een paper waarin deze nieuwe analytische methode in het tijdschrift wordt beschreven Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Surface Determination through Atomically Resolved Secondary Electron Imaging." Andere co-auteurs zijn Hamish Brown, Adrian D'Alfonso, Pratik Koirala, Colin Ophus, Yuyuan Lin, Yuya Suzuki, Hiromi Inada, Yimei Zhu, Les Allen, en Laurence Marks.

De meeste materialen interageren met andere materialen via hun oppervlakken, die vaak zowel qua structuur als chemie verschillen van het grootste deel van het materiaal. Veel belangrijke processen vinden plaats aan oppervlakken, variërend van de katalysatoren die worden gebruikt voor de opwekking van energierijke brandstoffen uit zonlicht en kooldioxide, hoe bruggen en vliegtuigen roesten.

"In essentie, het oppervlak van elk materiaal kan fungeren als zijn eigen nanomateriaalcoating die de chemie en het gedrag ervan sterk kan veranderen, Ciston zegt. "Om deze processen te begrijpen en de materiaalprestaties te verbeteren, is het essentieel om te weten hoe de atomen op oppervlakken zijn gerangschikt. Hoewel er nu veel goede methoden zijn om deze informatie te verkrijgen voor tamelijk vlakke oppervlakken, wanneer de oppervlakken ruw zijn, zijn de meeste momenteel beschikbare gereedschappen beperkt in wat ze kunnen onthullen."

"Het mooie van deze techniek is dat we oppervlakte-atomen en bulkatomen tegelijkertijd kunnen afbeelden, " zegt co-auteur Zhu, een wetenschapper bij Brookhaven National Laboratory. "Momenteel kan geen van de bestaande methoden dit bereiken."

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) is een uitstekende techniek voor het bestuderen van oppervlakken, maar geeft doorgaans alleen informatie over topologie met een resolutie op nanoschaal. Een veelbelovende nieuwe versie van scanning elektronenmicroscopie, genaamd "hoge resolutie scanning elektronenmicroscopie, " of HRSEM, breidt deze resolutie uit naar de atomaire schaal en geeft tegelijkertijd informatie over zowel oppervlakte- als bulkatomen, met behoud van veel van de oppervlaktegevoeligheid van traditionele SEM door secundaire elektronen.

Secundaire elektronen zijn het resultaat van een sterk geactiveerde elektronenbundel die een materiaal raakt en ervoor zorgt dat atomen in het materiaal energie uitstralen in de vorm van elektronen in plaats van fotonen. Aangezien een groot deel van de secundaire elektronen wordt uitgezonden vanaf het oppervlak van een materiaal, naast de massa, zijn ze goede bronnen voor het verkrijgen van informatie over de atomaire oppervlaktestructuur. Echter, de oppervlakteselectiviteit van HRSEM is nooit volledig benut.

"Hoewel er al enkele jaren krachtige instrumenten beschikbaar zijn, de vooruitgang in materiaalwetenschappelijke toepassingen is traag vanwege het onvermogen om de oppervlakte- en bulkcomponenten van HRSEM-afbeeldingen rechtstreeks onafhankelijk te interpreteren, Ciston zegt. "Deze moeilijkheid kwam voort uit het ontbreken van een volledig ontwikkeld theoretisch kader om SEM-beeldvorming op atomaire schaal te begrijpen."

Bestaande secundaire elektronenbeeldsimulatiemethoden moesten worden uitgebreid om rekening te houden met bijdragen van valentie-orbitalen in het materiaal, hij zegt, en ook het effect van diëlektrische screening op de efficiëntie van het genereren van signalen uit die valentie-orbitalen.

Om de effectiviteit van hun nieuwe theoretische kader te verifiëren, Ciston, Allen, Marks en hun collega's verzamelden en analyseerden in detail een reeks HRSEM-beelden van een bepaalde rangschikking van atomen aan het oppervlak van strontiumtitanaat. Deze experimenten werden gekoppeld aan zorgvuldige secundaire elektronenbeeldsimulaties, dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen, en aberratie-gecorrigeerde transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie.

"Conventionele transmissie-elektronenmicroscopiebeelden zijn goed begrepen en waren nodig om te bevestigen dat we daadwerkelijk de juiste structuur hadden en dat de nieuwe HRSEM-theorie op de goede weg was, " zegt Ciston. "Gezamenlijk genomen, de analyse stelde ons in staat om oppervlakte-informatie ondubbelzinnig te verwijzen naar informatie van het bulkkristal."

De uitstekende overeenkomst tussen berekeningen en experimentele resultaten toonde aan dat HRSEM een veelbelovend hulpmiddel is voor het bepalen van oppervlaktestructuren, inclusief het uitdagende onderwerp bulk/oppervlakteregistratie. Van hun demonstratie, de samenwerking ontdekte dat eerder gerapporteerde atomaire oppervlaktestructuren voor strontiumtitanaat met een "6x2 periodiciteit" verkeerd zijn, een ongewone zevenvoudige coördinatie niet hebben gedetecteerd binnen een typisch hoge oppervlaktedekking van titaniumoxidegroepen.

"We begonnen dit werk door een goed bestudeerd materiaal te onderzoeken, maar de nieuwe techniek is zo krachtig dat we veel moesten herzien van wat al bekend was, ' zegt Ciston.

Co-auteur Allen, een wetenschapper aan de Melbourne University in Australië, die de theoretische en modelleringsaspecten van de nieuwe beeldvormingstechniek leidde, voegt toe:"we hebben nu een geavanceerd begrip van wat de afbeeldingen betekenen".

Misschien is het eerste doel voor het toepassen van deze nieuwe HRSEM-oppervlakteanalysetechniek de studie van oppervlaktestructuren op de facetten van nanodeeltjes. De oppervlaktestructuren van nanodeeltjesfacetten zijn uiterst uitdagend om in het bovenaanzicht (van bovenaf gezien) af te beelden met behulp van elektronenmicroscopie, een tekort dat moet worden gecorrigeerd, zoals Ciston uitlegt.

"Geometrie van het bovenaanzicht is belangrijk omdat oppervlaktestructuren vaak meerdere domeinen zullen ontwikkelen, en we moeten er zeker van zijn dat we niet projecteren door meerdere structuren en oriëntaties, ", zegt hij. "Dit is een zeer uitdagend probleem, aangezien scanningsondetechnieken gewoonlijk nanodeeltjesoppervlakken niet kunnen aanpakken met atomaire resolutie, en oppervlakteröntgendiffractie vereist grote, eenkristaloppervlakken."

Zegt co-auteur Marks, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Northwestern University, "We zijn ook erg enthousiast over de mogelijkheden om deze toe te passen op corrosieproblemen. De kosten voor de industrie en het leger van corrosie zijn enorm, en we moeten alles begrijpen wat er gebeurt om materialen te produceren die langer meegaan."