Ricercatori dell'Università della California, Irvine ha sviluppato un nuovo metodo di microscopia elettronica a trasmissione a scansione che consente la visualizzazione della densità di carica elettrica dei materiali con una risoluzione sub-angstrom.

Con questa tecnica, gli scienziati dell'UCI sono stati in grado di osservare la distribuzione degli elettroni tra atomi e molecole e scoprire indizi sulle origini della ferroelettricità, la capacità di alcuni cristalli di possedere una polarizzazione elettrica spontanea che può essere commutata mediante l'applicazione di un campo elettrico. La ricerca, che è evidenziato in uno studio pubblicato oggi in Natura , ha anche rivelato il meccanismo di trasferimento di carica tra due materiali.

"Questo metodo è un progresso nella microscopia elettronica, dal rilevamento degli atomi all'acquisizione di immagini degli elettroni, che potrebbe aiutarci a progettare nuovi materiali con le proprietà e le funzionalità desiderate per i dispositivi utilizzati nell'archiviazione dei dati, conversione dell'energia e calcolo quantistico, " ha detto il capo squadra Xiaoqing Pan, Henry Samueli Endowed Chair in Engineering dell'UCI e professore di scienze e ingegneria dei materiali e di fisica e astronomia.

Impiegando un nuovo microscopio elettronico a scansione a scansione con correzione dell'aberrazione con una sonda elettronica fine che misura mezzo angstrom e una fotocamera a rilevamento elettronico rapido e diretto, il suo gruppo è stato in grado di acquisire un'immagine raster 2-D dei modelli di diffrazione da una regione di interesse nel campione. Come ottenuto, i set di dati sono 4-D, poiché sono costituiti da modelli di diffrazione 2-D da ciascuna posizione della sonda in un'area di scansione 2-D.

"Con il nostro nuovo microscopio, possiamo normalmente formare una sonda elettronica piccola come 0,6 angstrom, e la nostra telecamera ad alta velocità con risoluzione angolare può acquisire immagini STEM 4-D con 512 x 512 pixel a più di 300 fotogrammi al secondo, " disse Pan. "Utilizzando questa tecnica, possiamo vedere la distribuzione di carica degli elettroni tra gli atomi in due diversi ossidi di perovskite, titanato di stronzio non polare e ferrite di bismuto ferroelettrico."

La densità di carica degli elettroni nei materiali sfusi può essere misurata mediante raggi X o tecniche di diffrazione elettronica assumendo una struttura perfettamente priva di difetti all'interno dell'area illuminata dal fascio. Ma, Pan ha detto, rimane una sfida nella risoluzione della densità di carica degli elettroni nei materiali nanostrutturati costituiti da interfacce e difetti.

"In linea di principio, il campo elettrico locale e la densità di carica possono essere determinati mediante imaging di diffrazione elettronica utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione a scansione con correzione dell'aberrazione con una sonda elettronica sub-angstrom, " ha detto. "Mentre penetrando attraverso un campione, il fascio di elettroni interagisce con il campo elettrico interno del materiale nel suo percorso, determinando un cambiamento nella sua quantità di moto riflessa nel modello di diffrazione. Misurando questo cambiamento, il campo elettrico in una regione locale del campione può essere delineato, e la densità di carica può essere derivata."

Pan ha aggiunto che sebbene questo principio sia stato dimostrato in simulazioni, nessun esperimento ha avuto successo fino ad ora.

"Le mappe della densità di carica degli elettroni ottenute utilizzando il metodo STEM 4-D corrispondono ai risultati teorici dei calcoli del primo principio, " ha detto l'autore principale Wenpei Gao, un ricercatore post-dottorato UCI in scienza e ingegneria dei materiali. "Lo studio dell'interfaccia ferroelettrico/isolante tra ferrite di bismuto e titanato di stronzio utilizzando questa tecnica mostra direttamente come le caratteristiche della struttura atomica polare del composto di bismuto perdano attraverso l'interfaccia, che appare nel titanato di stronzio normalmente non polare. Di conseguenza, l'interfaccia ospita elettroni in eccesso confinati in una piccola regione spessa meno di 1 nanometro."

Pan ha affermato che questo progetto offre agli scienziati e agli ingegneri dei materiali nuovi strumenti per valutare le strutture, difetti e interfacce in materiali funzionali e nanodispositivi. Ha notato che potrebbe presto essere possibile condurre una mappatura ad alto rendimento della densità di carica di materiali e molecole da aggiungere al database delle proprietà aiutando la Materials Genome Initiative.

"Mentre la microscopia elettronica avanza dall'imaging degli atomi al sondaggio degli elettroni, porterà a nuove conoscenze e scoperte nella ricerca sui materiali, " ha detto il co-autore Ruqian Wu, Professore UCI di fisica e astronomia, che ha guidato il lavoro teorico dello studio. "La capacità di visualizzare la distribuzione della densità di carica attorno agli atomi vicino alle interfacce, i bordi dei grani o altri difetti planari aprono nuovi campi per la microscopia elettronica e la scienza dei materiali".