Forskare vid University of California, Irvine har utvecklat en ny scanningstransmissionselektronmikroskopi som möjliggör visualisering av den elektriska laddningstätheten hos material vid sub-ångströmsupplösning.

Med denna teknik, UCI-forskarna kunde observera elektronfördelning mellan atomer och molekyler och avslöja ledtrådar till ursprunget till ferroelektricitet, kapaciteten hos vissa kristaller att ha spontan elektrisk polarisation som kan växlas genom applicering av ett elektriskt fält. Forskningen, vilket belyses i en studie som publicerades idag i Natur , avslöjade också mekanismen för laddningsöverföring mellan två material.

"Denna metod är ett framsteg inom elektronmikroskopi - från att detektera atomer till att avbilda elektroner - som kan hjälpa oss att konstruera nya material med önskade egenskaper och funktionaliteter för enheter som används i datalagring, energiomvandling och kvantberäkning, " sa teamledaren Xiaoqing Pan, UCI:s Henry Samueli Endowed Chair in Engineering och professor i både materialvetenskap och teknik och fysik och astronomi.

Använder ett nytt aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop med en fin elektronsond som mäter en halv ångström och en snabb direkt elektrondetekteringskamera, hans grupp kunde få en 2D-rasterbild av diffraktionsmönster från ett område av intresse i provet. Som erhållits, datamängderna är 4D, eftersom de består av 2-D diffraktionsmönster från varje sondplats i ett 2-D scanningsområde.

"Med vårt nya mikroskop, vi kan rutinmässigt bilda en elektronsond så liten som 0,6 ångström, och vår höghastighetskamera med vinkelupplösning kan ta 4-D STEM-bilder med 512 x 512 pixlar med mer än 300 bilder per sekund, " sa Pan. "Med den här tekniken, vi kan se elektronladdningsfördelningen mellan atomer i två olika perovskitoxider, opolär strontiumtitanat och ferroelektrisk vismutferrit."

Elektronladdningstätheten i bulkmaterial kan mätas med röntgen- eller elektrondiffraktionstekniker genom att anta en perfekt defektfri struktur inom det strålbelysta området. Men, Pan sa, det finns fortfarande en utmaning när det gäller att lösa elektronladdningstäthet i nanostrukturerade material som består av gränssnitt och defekter.

"I princip, lokalt elektriskt fält och laddningstäthet kan bestämmas genom elektrondiffraktionsavbildning med hjälp av ett aberrationskorrigerat sveptransmissionselektronmikroskop med en sub-ångström elektronsond, " sade han. "Medan han penetrerade genom ett exemplar, elektronstrålen interagerar med det inre elektriska fältet för material i dess väg, vilket resulterar i en förändring i dess momentum som återspeglas i diffraktionsmönstret. Genom att mäta denna förändring, det elektriska fältet i en lokal region av provet kan avgränsas, och laddningstätheten kan härledas."

Pan tillade att även om denna princip har visats i simuleringar, inget experiment har lyckats förrän nu.

"Kartorna för elektronladdningstäthet som erhållits med 4-D STEM-metoden matchar teoretiska resultat från de första principberäkningarna, "sa huvudförfattaren Wenpei Gao, en UCI-postdoktor i materialvetenskap och ingenjörskonst. "Studien av det ferroelektriska/isolatorgränssnittet mellan vismutferrit och strontiumtitanat med denna teknik visar direkt hur egenskaper hos vismutföreningens polära atomstruktur läcker över gränssnittet, förekommer i det normalt icke-polära strontiumtitanatet. Som ett resultat, gränssnittet är värd för överskott av elektroner begränsade till ett litet område mindre än 1 nanometer tjockt."

Pan sa att detta projekt ger materialvetare och ingenjörer nya verktyg för att utvärdera strukturer, defekter och gränssnitt i funktionsmaterial och nanoenheter. Han noterade att det snart kan vara möjligt att genomföra kartläggning med hög genomströmning av laddningstätheten hos material och molekyler för att lägga till databasen med egenskaper som hjälper till i Materials Genome Initiative.

"När elektronmikroskopi går från att avbilda atomer till att sondera elektroner, det kommer att leda till ny förståelse och upptäckt inom materialforskning, " sa medförfattaren Ruqian Wu, UCI professor i fysik och astronomi, som ledde studiens teoretiska arbete. "Förmågan att avbilda laddningstäthetsfördelningen runt atomer nära gränssnitt, korngränser eller andra plana defekter öppnar nya fält för elektronmikroskopi och materialvetenskap."