Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Het blootleggen van de lokale atomaire structuur van zeoliet met behulp van optimale helderveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie

Reconstructieschema van OBF STEM en dosis-efficiëntievergelijking op basis van SNR-overdrachtsfuncties voor verschillende STEM-beeldvormingstechnieken. (A) Schematische weergave van de OBF STEM-beeldverwerkingsworkflow. In OBF STEM bevindt zich een gesegmenteerde detector op het diffractievlak die de intensiteit van de uitgezonden/afgebogen elektronen op elke sondepositie verzamelt. De door elk segment verkregen STEM-beelden worden vervolgens verwerkt met frequentiefilters om de fasecontrastcomponent te extraheren. De frequentiefilters worden afgeleid via STEM CTF en hebben een complexe waarde. Vervolgens worden de filters ook complex gewaardeerd en gevisualiseerd als een kleurenkaart die de fase en amplitude weergeeft. Na het filteren worden alle afbeeldingen opgeteld en wordt het OBF-beeld gesynthetiseerd. Omdat het filter wordt berekend via optische informatie van de microscoop, zoals de versnellingsspanning en de convergentiehoek van de sonde, evenals de CTF, heeft OBF-reconstructie geen a priori kennis van het monster nodig. (B) SNR-overdrachtsfuncties van OBF en verschillende fasecontrastbeeldvormingstechnieken. CTF's tonen het venster van contrastoverdracht van monsters als functie van de ruimtelijke frequentie. De SNR-overdrachtsfunctie wordt berekend door CTF's te normaliseren op basis van het ruisniveau bij elke ruimtelijke frequentie binnen de Poisson-statistieken, die een evenredigheidsfactor tonen voor het monsterpotentieel en de elektronendosis om de SNR bij elke Fourier-component te bepalen. Hier worden de SNR-overdrachtsfuncties berekend bij een versnellingsspanning van 300 kV, een halve convergentiehoek van 15 mrad en een monsterdikte van 10 nm, dezelfde omstandigheden als die van de experimenten die in dit onderzoek zijn uitgevoerd. Deze overdrachtsfuncties worden weergegeven als radiaal gemiddelde waarden, en de OBF-techniek vertoont een hogere SNR-overdracht dan zowel de conventionele methoden (BF en ABF) als iDPC, de recent ontwikkelde fasebeeldvormingstechniek. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

Zeolieten hebben unieke poreuze atomaire structuren en zijn bruikbaar als katalysatoren, ionenwisselaars en moleculaire zeven. Het is moeilijk om de lokale atomaire structuren van het materiaal rechtstreeks te observeren via elektronenmicroscopie vanwege de lage weerstand tegen elektronenbestraling. Als gevolg hiervan blijven de fundamentele eigenschappen-structuurrelaties van de constructies onduidelijk.



Recente ontwikkelingen van een beeldvormingsmethode met een lage elektronendosis, bekend als optimale helderveldscanning-transmissie-elektronenmicroscopie (OBF STEM), bieden een methode om beelden met een hoge signaal-ruisverhouding te reconstrueren met een hoge dosisefficiëntie.

In deze studie voerden Kousuke Ooe en een team van wetenschappers in techniek en nanowetenschappen aan de Universiteit van Tokio en het Japan Fine Ceramics Center observaties met een lage dosis atomaire resolutie uit met de methode om atomaire locaties en hun raamwerken tussen twee soorten zeolieten te visualiseren. De wetenschappers observeerden de complexe atomaire structuur van de tweelinggrenzen in een zeoliet van het faujasiettype (FAU) om de karakterisering van lokale atomaire structuren in veel elektronenstraalgevoelige materialen te vergemakkelijken.

Zeolieten analyseren in het materialenlab

Zeolieten zijn poreuze materialen die regelmatig zijn gerangschikt in poriën van nanogrootte, geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen tijdens katalyse, gasscheiding en ionenuitwisseling. De materiaaleigenschappen zijn nauw verwant aan de poriëngeometrie, waardoor daaropvolgende interacties met geadsorbeerde gastmoleculen en ionen mogelijk zijn. Onderzoekers hebben tot nu toe diffractometrische methoden gebruikt om de structuur van zeolieten te analyseren.

Materiaalwetenschappers hebben bijvoorbeeld aangetoond dat scanning-elektronenmicroscopie een krachtige methode is om lokale structuren te analyseren om de atomaire rangschikking van elektronenresistente materialen op sub-angstrom-niveau te observeren. Zeolieten zijn echter gevoeliger voor elektronenstralen in vergelijking met andere organische materialen, waardoor op elektronenmicroscopie gebaseerde waarnemingen als gevolg van elektronenbestraling worden beperkt.

Optimale helderveld scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (OBF/STEM)

In 1958 observeerde materiaalwetenschapper JW Menter zeolieten met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie en rapporteerde een roosterresolutie van 14 Angstrom. De beelden van het zeolietraamwerk verbeterden aanzienlijk dankzij geavanceerde beeldvorming in de jaren negentig, hoewel het een uitdaging bleef om de atomaire locaties in de materialen waar te nemen.

Recente ontwikkelingen op het gebied van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM)-elektronendetectoren hebben geleid tot meer geavanceerde beeldvormingsmethoden, zoals de optimale helderveld (OBF) STEM-methode om atomaire structuren met de hoogste signaal-ruisverhouding te observeren om beelden met atomaire resolutie te verkrijgen in realtime.

In dit werk gebruikten Ooe en collega's realtime OBF-beeldvorming om de architectuur van zeolieten met een resolutie van subangstrom te bepalen. De resultaten benadrukten het vermogen van geavanceerde elektronenmicroscopie om de lokale structuur van straalgevoelige materialen te karakteriseren.

OBF STEM-observatie met atomaire resolutie van een FAU-zeoliet langs de <110> zone-as. (A) Schematische weergave van de FAU-zeolietraamwerkstructuur en het geprojecteerde atomaire structuurmodel langs de <110> zone-as. Rode en blauwe polygonen vertegenwoordigen de bouweenheden (respectievelijk sodalietkooien en D6R's). (B) OBF STEM-afbeelding van FAU-zeoliet waargenomen aan de rand van het monster. Heldere vlekken duiden T- en zuurstofplaatsen aan. Schaalbalk, 1 nm. De gestippelde rechthoek geeft de herhalingseenheidstructuur aan die wordt gebruikt voor het middelingsproces weergegeven in (D). (C) Fourier-transformatiespectrum van (B), waarbij de vlekken in de echte ruimte tot een resolutie van 0,869 Å worden gezien. (D) Herhaal-cel-gemiddelde OBF-afbeelding, die wordt verkregen door het bijsnijden en middelen van de meerdere subafbeeldingen verkregen uit de onbewerkte afbeelding getoond in (B), wat een hogere SNR oplevert. De inzet is een gesimuleerd OBF-beeld, berekend met dezelfde observatieomstandigheden als die in het experiment. De locatie van de D6R-structuur, weergegeven in (E), wordt gemarkeerd door een gestippelde rechthoek. (E) Vergrote OBF-afbeelding van het rechthoekige gebied aangegeven door de rode stippellijn in (D). De atomaire structuurmodellen worden getekend met behulp van visualisatie voor elektronische en structurele analysesoftware. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

Directe beeldvorming van atomaire structuren in zeolieten:realtime OBF-beeldvorming versus STEM-beeldvorming

Het zeolietraamwerk bestond uit twee bouwstenen:sodalietkooien en dubbele zesringen. Met behulp van real-time optimale helderveldbeeldvorming (OBF) heeft het team het raamwerk van het materiaal gedetecteerd en een elektronensondestroom van 0,5 pico-angstrom gebruikt om eventuele straalgerelateerde schade te voorkomen en de typische anorganische materialen te analyseren. Vervolgens vergeleken ze de OBF-beelden met andere scanning-transmissie-elektronenmicroscopiebeelden verkregen onder vergelijkbare dosisomstandigheden.

De bestaande STEM-methoden lieten een basisstructuur van het materiële raamwerk zien; atomaire structuuranalyse met deze methode was echter een uitdaging vanwege de lage stroomdosering. De OBF-beelden boden daarentegen een betrouwbaarder en interpreteerbaarder beeldcontrast met een hogere dosisefficiëntie.

Directe observatie van de tweelinggrens

Het onderzoeksteam gebruikte de optimale helderveldmethode om de atomaire structuur van een tweelinggrens in de zeolietstructuur te onderzoeken. Het raamwerk werd gemaakt door een gelaagde structuureenheid, bekend als een 'faujasietplaat', kubisch te stapelen. De uitkomsten van beeldvorming met OBF lieten een vermogensspectrum van het beeld zien met een informatieoverdracht van meer dan 1 Angstrom. De beeldvorming met lage dosis lichtelementen met OBF STEM bood een beter alternatief om de structuur van zeolieten te analyseren, inclusief de lokale symmetrieverandering.

Ooe en collega's voerden dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen uit om de stabiliteit van de tweelinggrensstructuur te onderzoeken waar het experimentele beeld overeenkwam met zijn gesimuleerde tegenhanger.

Het team paste de methode toe op een ander type zeolietmonster om te laten zien hoe de typische silicium-aluminiumverhouding van deze monsters cruciaal is voor de materiaaleigenschappen om de hechting van ionen en moleculen te beïnvloeden. Toen ze de methode toepasten op een op natrium gebaseerd zeolietmonster voor atomaire observaties, faciliteerden de resultaten de conceptie van extra kationplaatsen met een lage bezetting in het zeolitische raamwerk.

Vooruitzichten

Op deze manier bedachten Kousuke Ooe en collega's een dosisefficiënte beeldvormingsmethode met scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, bekend als "optimum bright field scanning-transmissie-elektronenmicroscopie" (OBF-STEM) voor beeldvorming met lage dosis atomaire resolutie. Het team liet zien hoe de methode direct de atomaire structuren van alle elementen in een zeolietmateriaal van het faujasiet-type blootlegde:een bekend bundelgevoelig materiaal met een resolutie van minder dan een ruimte.

De methode kan worden gebruikt om roosterdefecten in het materiaalraamwerk te detecteren. Ze visualiseerden de atomaire locaties in het raamwerk naast de gevangen kationen om resultaten te verkrijgen die in kwantitatieve overeenstemming waren met beeldsimulaties. De methode is toepasbaar op straalgevoelige materialen, behalve zeolieten, om de lokale atomaire structuur te karakteriseren en de structuur-eigenschapsrelaties van gevoelige materialen te bestuderen.

Meer informatie: Kousuke Ooe et al., Directe beeldvorming van lokale atomaire structuren in zeoliet met behulp van optimale helderveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adf6865

L. A. Bursill et al, Zeolitische structuren zoals onthuld door elektronenmicroscopie met hoge resolutie, Natuur (2004). DOI:10.1038/286111a0

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang , Natuur

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Carnivoren weten dat het eten van andere karkassen van carnivoren ziekten overdraagt
  2. Onderzoek toont belang aan van dieren in het wild bij het bestrijden van teken
  3. Wat is er nodig voor de glycolyse?
  4. Denk aan je eerste herinnering - waarom kun je het je niet eerder herinneren?
  5. Habitat telt wanneer roofdieren op de loer liggen
  6. Waarvoor gebruikt het lichaam nucleïnezuren?
  7. Combineer technologie en eeuwenoude tracking om de cheeta te redden
  8. Naarmate het klimaat warmer wordt, meer vogelnesten worden vernietigd in Finse landbouwgronden
  9. Welke organen maken het vaatstelsel op?

Wetenschap