Een elektronenmicroscoop kan niet zomaar een foto maken zoals een camera van een mobiele telefoon dat kan. Het vermogen van een elektronenmicroscoop om een ​​structuur af te beelden - en hoe succesvol deze beeldvorming zal zijn - hangt af van hoe goed je de structuur begrijpt. Om de mogelijkheden van elektronenmicroscopie ten volle te benutten, zijn vaak complexe natuurkundige berekeningen nodig. Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor Peter Schattschneider van de TU Wien ging op zoek naar de mogelijkheden die EFTEM biedt, dat is energiegefilterde transmissie-elektronenmicroscopie. Het team toonde numeriek aan dat onder bepaalde omstandigheden, het is mogelijk om duidelijke beelden te verkrijgen van de orbitaal van elk afzonderlijk elektron binnen een atoom. Met elektronenmicroscopie kan dus tot op subatomair niveau worden doorgedrongen - experimenten op dit gebied zijn al gepland. De studie is nu gepubliceerd in het natuurkundig tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Op zoek naar de orbitaal van het elektron

We denken vaak aan atomaire elektronen als kleine bolletjes die rond de kern van het atoom cirkelen als kleine planeten rond een zon. Dit beeld wordt nauwelijks weerspiegeld in de werkelijkheid, echter. De wetten van de kwantumfysica stellen dat de positie van een elektron op geen enkel moment duidelijk kan worden gedefinieerd. Het elektron wordt effectief uitgesmeerd over een gebied dicht bij de kern. Het gebied dat het elektron zou kunnen bevatten, wordt de orbitaal genoemd. Hoewel het al lang mogelijk is om de vorm van deze orbitalen te berekenen, pogingen om ze in beeld te brengen met elektronenmicroscopen zijn tot nu toe niet gelukt.

"We hebben berekend hoe we met een elektronenmicroscoop een kans zouden kunnen hebben om orbitalen te visualiseren", zegt Stefan Löffler van het Universitair Servicecentrum voor Transmissie-elektronenmicroscopie (USTEM) aan de TU Wien. "Grafeen, die is gemaakt van slechts één enkele laag koolstofatomen, is een uitstekende kandidaat voor deze taak. De elektronenstraal kan gemakkelijk door het grafeen gaan met nauwelijks elastische verstrooiing. Met deze elektronen kan een afbeelding van de grafeenstructuur worden gemaakt."

Onderzoekers kennen het principe van "energiegefilterde transmissie-elektronenmicroscopie" (EFTEM) al geruime tijd. EFTEM kan worden gebruikt om heel specifieke visualisaties van bepaalde soorten atomen te maken, terwijl de andere worden geblokkeerd. Om deze reden, het wordt tegenwoordig vaak gebruikt om de chemische samenstelling van microscopische monsters te analyseren. "De elektronen die door het monster worden geschoten, kunnen de atomen van het monster prikkelen", legt Stefan Löffler uit. “Dit kost energie, dus wanneer de elektronen die tevoorschijn komen uit het monster, ze zijn langzamer dan toen ze erin kwamen. Deze snelheids- en energieverandering is kenmerkend voor bepaalde excitaties van elektronenorbitalen in het monster."

Nadat de elektronen door het monster zijn gegaan, een magnetisch veld sorteert de elektronen op energie. "Een filter wordt gebruikt om elektronen die niet interessant zijn buiten te sluiten:het opgenomen beeld bevat alleen die elektronen die de gewenste informatie dragen."

Defecten kunnen nuttig zijn

Het team gebruikte simulaties om te onderzoeken hoe deze techniek kan helpen een keerpunt te bereiken in de studie van elektronenorbitalen. Terwijl je dat doet, ze ontdekten iets dat de beeldvorming van individuele orbitalen daadwerkelijk vergemakkelijkte:"De symmetrie van het grafeen moet worden verbroken", zegt Stefan. "Indien, bijvoorbeeld, er zit een gat in de grafeenstructuur, de atomen direct naast dit gat hebben een iets andere elektronische structuur, waardoor het mogelijk wordt de orbitalen van deze atomen in beeld te brengen. Hetzelfde kan gebeuren als ergens in het grafeen een stikstofatoom in plaats van een koolstofatoom wordt gevonden. Wanneer u dit doet, het is belangrijk om je te concentreren op de elektronen die binnen een smal en nauwkeurig energievenster worden gevonden, bepaalde aberraties van de elektromagnetische lens te minimaliseren en, Tenslotte, gebruik een eersteklas elektronenmicroscoop." Al deze problemen kunnen worden opgelost, echter, zoals de berekeningen van de onderzoeksgroep laten zien.

De Humboldt-Universität zu Berlin, de Universität Ulm, en McMaster University in Canada werkten ook samen met de TU Wien aan de studie in een gezamenlijk FWF-DFG-project ("Towards orbital mapping", I543-N20) en een FWF Erwin-Schrödinger-project ("EELS at interfaces", J3732-N27). Ulm ontwikkelt momenteel een nieuwe, krachtige transmissie-elektronenmicroscoop die deze ideeën in de nabije toekomst in de praktijk zal brengen. De eerste resultaten hebben de verwachtingen al overtroffen.