Fig. 1. Lokaliserat röntgentvärsnitt av en Ni-ö. (a) Tredimensionell vy av en STM-topografisk skanning (110 × 60 nm2, −1 V, 1 nA). (b) Höjdprofil för linjen som visas i topografisk skanning. (c) Röntgentvärsnitt av en enda Ni-ö erhållen från I(röntgen, prov) (överst) och I(röntgen, spets) (botten). (d) Provström I(röntgen, prov) ger inte kemisk kontrast, när röntgenenergin (E =8,25 keV) är under Ni K-kanten (8,33 keV). (e) Ni-ön på Cu(111)-terrassen och öar längs Cu-stegkanten blir tydligt synliga för fotonenergier ovanför Ni K-kanten, här E =8,55 keV. Kredit:N. Shirato et al., Nano. Lett.
(Phys.org) – Under de senaste tre decennierna, skanningstunnelmikroskopi (STM) har snabbt blivit en viktig komponent i verktygslådan för kondenserad materia. Även om STM kan tillhandahålla stora mängder data om det elektroniska, strukturell, och magnetiska egenskaper hos material vid atomupplösning, dess akilleshäl är dess oförmåga att karakterisera elementära arter. Men ett team från Argonne National Laboratory och Ohio University har hittat en väg runt denna begränsning genom att kombinera STM med den spektroskopiska mångsidigheten hos synkrotronröntgenstrålar, uppnå kemisk fingeravtryck av enskilda nickelkluster på en kopparyta med en upplösning på 2 nm, skapa ett kraftfullt och mångsidigt bildverktyg i nanoskala med spännande löften och potential för material och biologiska vetenskaper. Deras arbete publicerades i Nanobokstäver .
Arbetar vid Center for Nanoscale Materials (CNM)/röntgenvetenskapsavdelningen 26-ID strållinje av U.S. Department of Energys Advanced Photon Source, forskarna utnyttjade några nya tekniska innovationer som utvecklats av Argonne -forskare.
Dock, laget var tvungen att övervinna några experimentella hinder för att kombinera STM med synkrotronröntgen. Upplösningen och känsligheten hos STM kan påverkas negativt av fotoutstötande elektroner från provet som stör mätningen av tunneleffekter.
Argonne-forskarna uppfann och patenterade en nanotillverkad "smart spets" för skanningstunnelmikroskopet som skarpt fokuserar detektion av elektroner enbart till de som samlas in vid skanningsspetsen där den interagerar med provet, ignorerar bakgrundselektronerna från spetsens sidoväggar. De olika beläggningarna för den smarta spetsen odlades på CNM, och sedan exponerades spetsens spets via fokuserad jonstrålefräsning utförd vid CNM Electron Microscopy Center (EMC). (APS, CNM, och EMC i Argonne är Office of Science användarfaciliteter.)
Ett diagram över bilduppsättningen, med STM "smarta spets" och en bild av Ni-kluster (grön) på Cu-ytan (röd). Den smarta spetsen består av en skarp ledande spets (grön), koaxiellt belagd med ett isolerande skikt (grått), ett tunt frölager (blått), och en ledande yttre sköld (guld).
Teamet utvecklade också en filterkrets som separerar kemiska och magnetiska data från röntgeninducerade strömmar och topografiska data från konventionella tunneleffekter i två kanaler, så att de kan spelas in separat utan ömsesidig störning.
Genom att använda den markant förbättrade upplösningen och känsligheten som möjliggjorts med dessa framsteg inom synkrotronröntgentunnelmikroskopi (SX-STM), experimentteamet från Argonne/Ohio University analyserade nickelkluster avsatta på en kopparyta. Vanligtvis, eftersom kemiskt fingeravtryck med röntgenstrålar är baserat på fotojoniseringstvärsnitt, sådana mätningar är medelvärde över en ganska bred ytarea och djup. Men den nya tekniken kunde avbilda och få ett fotojoniseringstvärsnitt av ett enda nickelkluster på provytan med 2 nm upplösning.
"Vi har visat ett världsrekord i den rumsliga upplösningen av kemisk avbildning med hjälp av synkrotronröntgenstrålningstunnelmikroskopi, sa Saw-Wai Hla, en medförfattare till Nano Letters-artikeln.
"Detta har en enorm inverkan på många vetenskapliga områden, inklusive materialvetenskap, kemi, och energimaterial, " sa medförfattaren Volker Rose.
Både den anmärkningsvärda upplösningen och det exakta kemiska fingeravtrycket av enskilda nickelnanokluster var också tydligt i de topografiska bilderna av provytan, även ner till höjden av en enda atom. Försöksledarna noterar att tjockleken på enskilda kluster inte verkar ha någon effekt på kontrastintensiteten hos deras kemiska signatur. De föreslår att eftersom tunnling är en lokal effekt som bara är känslig för det översta lagret av material, Detta fenomen som observerats topografiskt härrör från tunnling av röntgenexciterade fotoelektroner från tillstånd mellan Fermi-nivån och arbetsfunktionen.
Medan de nuvarande experimenten utfördes vid rumstemperatur, forskarna räknar med att uppnå ännu bättre upplösning i SX-STM vid mycket lägre temperaturer.
Även i sin nuvarande form, de tekniker som demonstreras här kan revolutionera nanoskala avbildning inom områden långt bortom materialvetenskap, inklusive elektronik och biologi. Genom att övervinna de inneboende begränsningarna av både STM och röntgenmikroskopi, detta nya arbete har också kombinerat styrkorna hos var och en för att skapa ett kraftfullt och mångsidigt bildverktyg med ett spännande löfte och potential.
