(Phys.org) — En ny teknik från Pacific Northwest National Laboratory och FEI Company låter forskare effektivt lösa elementens placering i tre dimensioner. Teamets teknik kombinerar scanningstransmissionselektronmikroskopi och röntgenenergidispersiv spektrometri med ett nytt detektorarrangemang och en ljusare elektronstråle. Resultatet är en tredimensionell karta över elementens placering på ett prov som är mindre än en enskild blodkropp. Teamet tillämpade denna teknik på ett litiumrikt nickelbaserat material som kan vara en del av morgondagens batterier. De upptäckte hur nickel segregerade bort från andra element på materialets yta.

"Denna teknik gav oss vår snabbaste, renaste utsikten hittills, " sa Dr Chongmin Wang, en materialvetare med det nationella laboratoriets Chemical Imaging Initiative. "Tidningen har visat sig populär, det är den Ultramikroskopi mest nedladdade artikeln under de senaste 90 dagarna."

Forskare, tillsammans med resten av befolkningen, vill ha svar snabbt och korrekt så att de kan fokusera på det som är viktigast. Teamets teknik ger exakta kemiska 3D-bilder på timmar, inte dagar, och undviker tiden och kostnaden för att omforma prover och transportera dem till andra instrument. Informationen som genereras av denna teknik kan hjälpa till med avsiktliga, kontra trial and error, materialdesign som håller längre, batterier med högre kapacitet.

Teamets metod kombinerar ringformig mörkfältsskanningselektronmikroskopi med hög vinkel med röntgenenergidispersiv spektrometri. Mikroskopin ger detaljerad information om komplexa arkitekturer, medan spektrometrin tillhandahåller elementarfördelningen.

För spektrometri, teamet arrangerade fyra fönsterlösa kiseldriftdetektorer runt provet. Detektorerna, med förbättrad lutningsrespons, skannade snabbt provet. Eftersom elektronstrålen inte stannade på en enda plats i mer än 25 mikrosekunder, forskarna undvek "parkeringsproblem", där elektronstrålen hänger kvar på en enda plats och skadar provet. Skanningarna från de fyra detektorerna kombinerades och förenades med mikroskopiinformationen med hjälp av specialiserad programvara.

Denna teknik är snabbare och ger ett bredare synfält än mer traditionella 3D-tekniker som svepelektronmikroskopi kombinerat med elektronenergiförlustspektrometri eller atomsondstomografi. Om 3 timmar, teamet erhöll datamängder från 29 mikroskopibilder och elementära kartor. Andra tekniker kan ta upp till en dag och ger inte en lika tydlig bild. Ytterligare, detta enda instrument ger ett bredare fält än liknande kemiska tekniker och gör det möjligt för forskare att se enskilda partiklar utan ytterligare förberedelser som skulle kunna modifiera den inhemska strukturen.

"Det är nu möjligt att erhålla 3D-sammansättningskartor från nanopartiklar i deras ursprungliga tillstånd och minska den totala tiden för att rekonstruera kemisk information, " sa Dr Libor Kovarik, en PNNL-forskare i laget.

Teamet fortsätter att undersöka hur element aggregerar och driver i litiumjonbatterier och andra energilagringsmaterial. Dessutom, de förfinar sina kemiska avbildningstekniker, strävar efter att tillhandahålla bättre sätt att samla in detaljerad information.