Synkrotronröntgenundersökningstunnelmikroskopikonceptet tillät Argonne National Laboratory och Ohio University forskare att uppnå en inspelningsbrytande upplösning av ett nanoskala material. De kombinerade en synkrotronröntgen som sond och en nanofabricerad smart spets som en detektor för fingeravtryck av enskilda nickelkluster på en kopparyta vid en två-nanometer upplösning och med den ultimata enkelatomiska höjdkänsligheten. Och genom att variera fotonenergin, forskare mätte framgångsrikt fotojoniseringstvärsnitt av en enda nickel -nanokluster - öppnar dörren för nya möjligheter för kemisk avbildning av nanoskala material.
(Phys.org) - Ett team av forskare från US Department of Energy's Argonne National Laboratory och Ohio University har tagit fram en kraftfull teknik som samtidigt löser den kemiska karakteriseringen och topografin av nanoskala material ner till höjden av en enda atom.
Tekniken kombinerar synkrotronröntgen (SX) och skanningstunnelmikroskopi (STM). I experiment, forskarna använde SX som en sond och en nanofabricerad smart spets av en STM som en detektor.
Med denna teknik, forskare upptäckte det kemiska fingeravtrycket för enskilda nickelkluster på en kopparyta vid en två-nanometer (nm) lateral upplösning, och med den ultimata känsligheten för en enda atomhöjd. Genom att variera fotonenergin, forskarna använde skillnaden i fotoabsorptionstvärsnitt för nickel och kopparsubstrat för att kemiskt avbilda ett nanokluster med en nickel - vilket öppnade dörren till nya möjligheter för kemisk avbildning av nanoskala material. Tills nu, en rumslig gräns på endast 10 nm var uppnåelig, och forskarna skulle samtidigt prova ett stort provområde. Forskarna har förbättrat den rumsliga upplösningen till 2 nm.
"Bildbehandling med direkt kemisk känslighet har varit ett mångårigt mål sedan skanningstunnelmikroskop utvecklades under 1980-talet, "sade Volker Rose, en fysiker vid röntgenavdelningen. "Det var väldigt spännande när vi fick elementär kontrast av ett material på bara en atomskiktshöjd".
"Detta är ett äktenskap mellan två av materialvetenskapens mest kraftfulla instrument, "sa Saw-Wai Hla, gruppledare för elektroniska och magnetiska material och enheter i Argonnes division för nanovetenskap och teknik. "Vi har nu ett instrument som kan utföra funktionerna för STM och röntgenstrålar i en enda inställning, och därför har den en stor potential att revolutionera materialets karakterisering. "
För att genomföra experimentet, forskare använde Center for Nanoscale Materials (CNM) beamline 26-ID vid Advanced Photon Source (APS), som är utrustad med två kollinära undulatornheter som fungerar som röntgenkälla och en dubbelkristallmonokromater som väljer fotonenergi. Röntgenstrålarna leddes genom en stråghackare för att snabbt slå på och stänga av strålen och sedan belysa spetsen/provkorsningen i SX-STM. Detta möjliggjorde mycket känslig låsning av de röntgeninducerade strömmarna.
Experimentet genomfördes vid rumstemperatur, som är väl lämpad för behoven hos de flesta fysiska, kemisk, biologiska tillämpningar och nanomaterial. Teamet räknar med att ännu högre rumslig upplösning kan bli möjlig med ett nytt instrument som för närvarande är under utveckling.
"Nästa steg blir att utöka den nya tekniken till låga temperaturer, "noterar Rose." Våra mätningar indikerar att atomupplösning kan uppnås vid 5 K (cirka negativ 450 F). "
Denna forskning finansierades av DOE Office of Science Early Career Research Program. APS och CNM är DOE Office of Science User Facilities som ligger i Argonne.
Nozomi Shirato, Marvin Cummings och Benjamin Stripe, postdoktorer i Argonne, och Heath Kersell och Yang Li, doktorander i fysik vid Ohio University, hjälpte till att genomföra experimenten. Saw-Wai Hla och Volker Rose, från Argonne, designade experimentet och Daniel Rosenmann, från Argonne, gjorde det smarta tipset. Curt Preissner, från Argonnes APS Engineering Support Division, gav teknisk support, och Jon Hiller, tidigare från CNM:s Electron Microscopy Center -grupp, hjälpte till att göra det smarta tipset.
