Att förstå och kontrollera hur diffusionsprocessen fungerar på atomär skala är en viktig fråga i syntesen av material. För nanopartiklar, stabiliteten, storlek, strukturera, sammansättning, och atomordning är alla beroende av position inuti partikeln, och diffusion både påverkar alla dessa egenskaper och påverkas av dem. En mer grundlig förståelse av mekanismerna och effekterna av diffusion i nanokristaller kommer att hjälpa till att utveckla kontrollerade syntesmetoder för att erhålla de speciella egenskaperna; dock, Konventionella metoder för att studera diffusion i fasta ämnen har alla begränsningar.

Med tanke på behovet av avbildningstekniker som är känsliga för långsammare dynamik och gör att diffusionsbeteendet i individuella nanokristaller kan undersökas i atomär skala och i tre dimensioner (3-D), ett team av forskare använde stamkänsligheten hos Bragg coherent diffraction imaging (BCDI) för att studera diffusionen av järn till individuella guldnanokristaller in situ vid förhöjda temperaturer. Deras arbete publicerades nyligen i New Journal of Physics .

Mätning av diffusion i fasta ämnen

Direkta metoder för att studera diffusion i fasta ämnen (såsom mekanisk profilering och sputterprofilering, sekundär jonmasspektrometri, och elektronmikrosondanalys) ger endast en makroskopisk kvantitet, diffusionskoefficienten. Indirekta metoder (som kvasielastisk neutronspektroskopi och Mössbauer-spektroskopi) kan ge mikroskopisk information om diffusionsprocessen, men är begränsade till ett smalt antal isotoper och relativt snabba diffusivitetsvärden. Befintliga metoder för diffusionsstudier i fasta ämnen tenderar också att medelvärde signaler över ett antal strukturer, men i nanokristaller är provets heterogenitet signifikant och kan påverka resultaten. Transmissionselektronmikroskopi (TEM) gör att diffusion kan studeras i individuella nanopartiklar, men är begränsad till tunna prover ( <100 nm) och den nödvändiga provberedningen kan vara destruktiv.

BCDI:s förmåga att avbilda stam i 3-D i individuella nanokristaller är extremt användbar och mycket ny. Denna utvecklingsteknik använder koherenta röntgenstrålar, vilket gör att stam inom individuella nanokristaller kan kartläggas i 3D. Forskare mäter kristallens diffraktionsmönster, och använd sedan iterativa fasåtervinningsalgoritmer för att rekonstruera kristallens 3D-struktur i verkliga rymden. Den rekonstruerade elektrontätheten består av magnitud (vanligtvis kallad amplitud) och fas, som motsvarar kristallens morfologi och stam. Stamkänsligheten hos BCDI kan användas för att undersöka diffusionen av atomer till en nanokristall, eftersom diffusion förväntas inducera mätbara gitterförvrängningar.

BCDI av guld-järn nanopartiklar

I den här studien, ett team av forskare från University College London, London, Brookhaven National Laboratory i USA, Diamond and the Research Complex vid Harwell använde BCDI på I07-strållinjen för att undersöka 3D-diffusionsbeteendet i en guld-järnlegering. Guldnanopartiklar har intressanta optiska egenskaper, och deras yta kan ställas in för specifika funktioner. Deras biokompatibilitet gör dem till ett självklart val för medicinska tillämpningar. Järn kan användas för att introducera intressanta magnetiska egenskaper i nanopartiklar, dock, det är benäget att oxidera och har hög celltoxicitet i medicinska sammanhang.

Guld-järn nanopartiklar erbjuder ett material med både magnetiska och optiska egenskaper som är både biokompatibelt och skyddat från oxidation. De har potentiella medicinska tillämpningar inom magnetisk resonanstomografi, hypertermi, och riktad läkemedelstillförsel.

Teamet mätte diffraktionsmönstret för individuella guldnanokristaller som en funktion av temperatur och tid, före och efter järnavsättning. De använde fasåtervinningsalgoritmer för att få verkliga rymdrekonstruktioner av nanokristallerna, observera legering av järn med guld vid provtemperaturer på 300-500°C och avlegering av järn från guld vid 600°C. De fann att volymen av den legerade regionen i nanokristallerna ökade med järndoseringen. Deras resultat antydde att proverna nådde jämvikt relativt snabbt efter järnavsättning, och den resulterande fasfördelningen inom guldnanokristallerna efter järnavsättningarna antyder en sammandragning på grund av diffusion av järn.

Denna studie visar användbarheten av BCDI för att studera 3-D diffusion och legeringsbeteende i individuella nanokristaller på atomär skala. Den undersökte framgångsrikt förändringarna i strukturen hos individuella guldnanokristaller som ett resultat av diffusion av och legering med järn, vid olika temperaturer och metalldoser, med picometer töjningsupplösning.

Huvudförfattaren Ana Estandarte tillägger:"BCDI är en teknik som kan appliceras på ett brett spektrum av material och dess förmåga att oförstörande undersöka 3D-stammen i material på atomär skala under dynamiska processer är kraftfull. Efter att ha framgångsrikt undersökt förändringar i nanokristallerna under diffusion i denna studie, vi funderar på att tillämpa tekniken i framtiden för att undersöka processer i batterimaterial."