Vi kan direkt se atomernas dolda värld tack vare elektronmikroskop, utvecklades först på 1930 -talet. I dag, elektronmikroskop, som använder elektronstrålar för att belysa och förstora ett prov, har blivit ännu mer sofistikerade, tillåter forskare att ta verkliga ögonblicksbilder av material med en upplösning på mindre än hälften av diametern på en väteatom.

Nu, forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) skjuter gränserna för elektronmikroskopi ytterligare genom en kraftfull teknik som kallas 4-D-STEM, en term som står för "2-D-raster av 2-D-diffraktionsmönster med hjälp av svepelektronmikroskopi."

Deras fynd, rapporterade i Naturkommunikation och Naturmaterial , visa för första gången hur 4-D-STEM kan ge direkt inblick i materialets prestanda-från starkt metalliskt glas till flexibla halvledande filmer-genom att identifiera specifika atomiska "kvarter" som kan äventyra materialets prestanda, eller kanske har potential att förbättra det.

"Historiskt sett elektronmikroskop har varit mest användbara vid hög upplösning för avbildning av hårda material, "sa författaren Andew Minor, som ledde studierna. Minor är anläggningsdirektör för National Center for Electron Microscopy (NCEM) vid Berkeley Labs Molecular Foundry; medlem av materialvetenskapsavdelningen vid Berkeley Lab; och professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley.

"Nu, i dessa studier, vi har visat att när 4-D-STEM används med våra höghastighetsdetektorer, anpassningsbara algoritmer, och kraftfulla elektronmikroskop, tekniken kan hjälpa forskare att kartlägga atom- eller molekylära regioner i vilket material som helst-även strålkänsligt, mjuka material - som inte var möjliga att se med tidigare tekniker, " han sa.

Kartläggning av atomkvarter i mjuka material

Inom området flexibel elektronik och organisk solceller, forskare använder vanligtvis röntgenstrålar för att karakterisera ett materials molekylära struktur eftersom elektronstrålen i ett elektronmikroskop skulle förstöra materialet.

"Men röntgenstrålar kan inte fokuseras på storleken på enstaka atomer, "sa Minor." När det gäller att nå atomupplösning, inget slår elektroner. Du kan fokusera elektroner till en mycket liten punkt, och elektronerna reagerar mycket starkt med material. Det är bra om du vill ha mycket signal, men det är dåligt om du har ett strålkänsligt material. "

I deras Naturmaterial studie, Mindre och medförfattare visade hur höghastighetsdetektorer som fångar atomer i aktion med upp till 1, 600 bilder per sekund med 4-D-STEM tillät oöverträffade molekylära filmer av en organisk halvledare med små molekyler. Filmen visade hur den molekylära ordningen i halvledaren, används ofta i organiska solceller, ändrad som svar på ett vanligt bearbetningsadditiv (kallat DIO eller 1, 8-diiodooctane) som är känt för att öka solcellens effektivitet.

Vid genomförandet av Naturmaterial studera som en del av DOE:s mjukämneselektronmikroskopi och spridningsprogram, 4-D-STEM-experimenten tillät Minor och hans medförfattare att kartlägga orienteringen av kornen av ordnade molekyler i materialet, som ser ut att korsa varandra, överlappande vägar som förbinder angränsande stadsdelar.

Sådana detaljer, som inte är möjliga att observera med konventionell STEM, är betydelsefulla eftersom lågvinkelgränser-som långa, raka tunnlar genom vilka en bil kan accelerera obehindrat vid hög hastighet - är nödvändiga för att elektroner ska koppla ihop och generera en laddning i en funktionell halvledare.

Med denna kraftfulla nya teknik, forskarna visade tydligt att DIO -tillsatsen dramatiskt förändrar materialets nanostruktur, och att denna överlappande spannmålsstruktur är nyckeln till den förbättrade effektiviteten som observeras i solceller tillverkade av dessa material, förklarade Colin Ophus, forskare vid NCEM.

"Anledningen till att det är viktigt att se orienteringsfördelning av ett material är att dessa gränser starkt förmedlar materialets elektriska konduktivitet, "sa han." Om en elektron träffar en vägg eller en korngräns har den stor chans att studsa, vilket äventyrar dess prestanda. "

Bygga bättre material, atom för atom

I deras Naturkommunikation studie, genomförd som en del av DOE:s program för mekaniskt beteende för material, Mindre, Ophus, och medförfattare använde 4-D-STEM för att hitta "svaga länkar" i atomskala i metallglas i bulk som slutligen leder till frakturer under stress.

Vanliga metaller är kristallina material, vilket betyder att deras atomer är ordnade i ett perfekt, upprepande mönster - som tennisbollar perfekt staplade inuti en kub så att de fyller utrymmet. När en atom saknas är en sådan defekt uppenbar under ett elektronmikroskop, gör det lättare att förutsäga var ett material kan äventyras.

Men bulk metalliska glasögon (BMG) är amorfa, vilket betyder att deras atomer bildar ett oordningsmönster - som ett slumpmässigt sammansatt, instabil hög med tennisbollar, golfbollar, och basebollar kastade inuti en låda. Och denna oförutsägbara struktur är det som gör det svårt för materialforskare att ta reda på var dessa atomfel kan gömma sig när de äventyrar ett materials seghet.

Genom att använda 4-D-STEM med höghastighets elektrondetektorer, forskarna mätte det genomsnittliga avståndet mellan atomer inom vissa regioner i BMG -materialet, och registrerade "töjningen" eller förändringen i detta avstånd när materialet dras tills det går sönder.

De visade att 4-D-STEM, i kombination med höghastighets elektrondetektorer och snabba algoritmer för att analysera hundratusentals diffraktionsmönster genom ett prov, kan identifiera föregångarna i materialets atomstruktur som får det att misslyckas, Sa Ophus.

Fokuserar på framtiden för 4-D-STEM

Kärnan i detta äktenskap mellan höghastighetsdetektorer och 4-D-STEM-mikroskop är finspunna algoritmer, som Ophus anpassar för varje användare som kör 4-D-STEM-experiment på gjuteriets NCEM-anläggning.

"Vi kör några av de snabbaste 4-D-STEM-simuleringskoderna i världen, och varje användarprojekt på gjuteriet medför unika utmaningar, kräver mätningar av olika materialegenskaper från många olika prover, "sa Ophus." Men vi vet att inte alla kan skriva kod, så hjälper vi våra användare genom att utveckla skräddarsydda, användarvänlig programvara som gör det möjligt för dem att simulera och modellera verkliga material i dessa oöverträffade skalor. "

Ophus tillade att användare kan dra nytta av sina anpassade skript även utan att komma till Berkeley Lab. Han och Minor, i samarbete med forskare från Berkeley Labs avdelning för beräkningsforskning och Toyota Research Institute, utvecklar en öppen källkod, Pythonbaserad programvara så att kraften i 4-D-STEM är tillgänglig för hundratals institutioner istället för bara en handfull.

När den är klar, deras öppen källkodsprogramvara, tillsammans med Berkeley Labs nya supersnabba 4-D-kamera, kommer att bana väg för avbildning av material på atom- eller molekylär nivå när de förändras som svar på stress med en ännu högre upplösning och snabbare hastighet, sa Minor. Denna kamera är för närvarande den snabbaste elektrondetektorn i världen, fånga atombilder vid 87, 000 bildrutor per sekund:cirka 50 gånger snabbare än dagens teknik.