Possiamo vedere direttamente il mondo nascosto degli atomi grazie ai microscopi elettronici, sviluppato per la prima volta negli anni '30. Oggi, microscopi elettronici, che utilizzano fasci di elettroni per illuminare e ingrandire un campione, sono diventati ancora più sofisticati, consentendo agli scienziati di scattare istantanee reali di materiali con una risoluzione inferiore alla metà del diametro di un atomo di idrogeno.

Ora, gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia stanno spingendo ulteriormente i confini della microscopia elettronica attraverso una potente tecnica chiamata 4-D-STEM, un termine che sta per "raster 2-D di modelli di diffrazione 2-D utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione".

Le loro scoperte, segnalato in Comunicazioni sulla natura e Materiali della natura , mostrano per la prima volta come 4-D-STEM può fornire una visione diretta delle prestazioni di qualsiasi materiale, dal vetro metallico resistente ai film semiconduttori flessibili, individuando specifici "quartieri" atomici che potrebbero compromettere le prestazioni di un materiale, o forse hanno il potenziale per migliorarlo.

"Storicamente, i microscopi elettronici sono stati molto utili ad alta risoluzione per l'imaging di materiali duri, " ha detto l'autore Andew Minor, che ha condotto gli studi. Minor è il direttore della struttura per il Centro nazionale per la microscopia elettronica (NCEM) presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab; un membro della Divisione di Scienze dei Materiali presso il Berkeley Lab; e professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley.

"Ora, in questi studi, abbiamo dimostrato che quando viene utilizzato 4-D-STEM con i nostri rilevatori ad alta velocità, algoritmi personalizzabili, e potenti microscopi elettronici, la tecnica può aiutare gli scienziati a mappare le regioni atomiche o molecolari in qualsiasi materiale, anche sensibile al raggio, materiali morbidi, che non era possibile vedere con le tecniche precedenti, " Egli ha detto.

Mappatura dei quartieri atomici in materiali morbidi

Nel campo dell'elettronica flessibile e del fotovoltaico organico, gli scienziati usano tipicamente i raggi X per caratterizzare la struttura molecolare di un materiale perché il raggio di elettroni in un microscopio elettronico distruggerebbe il materiale.

"Ma i raggi X non possono essere focalizzati sulla dimensione dei singoli atomi, " disse Minor. "Quando si tratta di raggiungere la risoluzione atomica, niente batte gli elettroni. Puoi focalizzare gli elettroni in un punto molto piccolo, e gli elettroni reagiscono molto fortemente con i materiali. Va bene se vuoi un sacco di segnale, ma è un male se hai un materiale sensibile al raggio."

nella loro Materiali della natura studio, Minor e coautori hanno dimostrato come i rivelatori ad alta velocità che catturano gli atomi in azione fino a 1, 600 fotogrammi al secondo con 4-D-STEM hanno consentito filmati molecolari senza precedenti di un semiconduttore organico di piccole molecole. Il film ha mostrato come l'ordinamento molecolare nel semiconduttore, spesso utilizzato nelle celle solari organiche, modificato in risposta a un additivo di lavorazione comune (chiamato DIO o 1, 8-diioodottano) che è noto per migliorare l'efficienza delle celle solari.

Nel condurre il Materiali della natura studiare come parte del programma di microscopia elettronica e diffusione della materia morbida del DOE, gli esperimenti 4-D-STEM hanno permesso a Minor e ai suoi coautori di mappare l'orientamento dei grani di molecole ordinate all'interno del materiale, che sembrano intersecanti, strade sovrapposte che collegano quartieri adiacenti.

Tali dettagli, che non è possibile osservare con gli STEM convenzionali, sono significativi perché i confini a basso angolo, come lunghi, tunnel rettilinei attraverso i quali un'auto può accelerare senza ostacoli ad alta velocità, sono necessari per gli elettroni per accoppiarsi e generare una carica in un semiconduttore funzionale.

Usando questa nuova potente tecnica, i ricercatori hanno chiaramente dimostrato che l'additivo DIO altera drasticamente la nanostruttura del materiale, e che questa struttura a grani sovrapposti è la chiave per la maggiore efficienza osservata nelle celle solari realizzate con questi materiali, ha spiegato Colin Ophus, un ricercatore presso NCEM.

"Il motivo per cui è importante vedere la distribuzione dell'orientamento di un materiale è perché questi confini mediano fortemente la conduttività elettrica del materiale, " ha detto. "Se un elettrone colpisce un muro o un confine di grano ha un'alta probabilità di rimbalzare, che ne compromette le prestazioni."

Costruire materiali migliori, atomo per atomo

nella loro Comunicazioni sulla natura studio, effettuato come parte del programma di comportamento meccanico dei materiali del DOE, Minore, Opus, e i coautori hanno utilizzato 4-D-STEM per individuare gli "anelli deboli" su scala atomica nel vetro metallico sfuso che alla fine portano a fratture sotto stress.

I metalli normali sono materiali cristallini, il che significa che i loro atomi sono disposti in modo perfetto, ripetizione, come palline da tennis perfettamente impilate all'interno di un cubo in modo da riempire lo spazio. Quando un atomo manca, tale difetto è evidente al microscopio elettronico, rendendo più facile prevedere dove un materiale potrebbe essere compromesso.

Ma i vetri metallici sfusi (BMG) sono amorfi, il che significa che i loro atomi formano uno schema disordinato, come un insieme casuale, mucchio instabile di palline da tennis, Palline da golf, e palle da baseball lanciate dentro una scatola. E questa struttura imprevedibile è ciò che rende difficile per gli scienziati dei materiali capire dove potrebbero nascondersi quei difetti atomici poiché compromettono la resistenza di un materiale.

Utilizzando 4-D-STEM con rivelatori di elettroni ad alta velocità, i ricercatori hanno misurato la spaziatura media tra gli atomi all'interno di determinate regioni del materiale BMG, e ha registrato la "deformazione" o il cambiamento in questa spaziatura mentre il materiale viene tirato fino a quando non si rompe.

Hanno mostrato che 4-D-STEM, quando combinato con rivelatori di elettroni ad alta velocità e algoritmi veloci per analizzare centinaia di migliaia di modelli di diffrazione in un campione, può identificare i precursori nella struttura atomica del materiale che ne causano il fallimento, disse Ofus.

Concentrarsi sul futuro di 4-D-STEM

Al centro di questo connubio tra rivelatori ad alta velocità e microscopi 4-D-STEM ci sono algoritmi di precisione, che Ophus personalizza per ogni utente che esegue esperimenti 4-D-STEM presso la struttura NCEM della fonderia.

"Eseguiamo alcuni dei codici di simulazione 4-D-STEM più veloci al mondo, e ogni progetto utente presso la Fonderia porta sfide uniche, che richiedono misurazioni delle proprietà di materiali diversi da molti campioni diversi, " disse Ophus. "Ma sappiamo che non tutti possono scrivere codice, quindi aiutiamo i nostri utenti sviluppando scritti personalizzati, un software intuitivo che consente loro di simulare e modellare materiali del mondo reale a queste scale senza precedenti".

Ophus ha aggiunto che gli utenti possono beneficiare dei loro script personalizzati anche senza venire al Berkeley Lab. Lui e Minore, in collaborazione con i ricercatori della divisione di ricerca computazionale del Berkeley Lab e del Toyota Research Institute, stanno sviluppando un open-source, Software basato su Python in modo che la potenza di 4-D-STEM sia disponibile per centinaia di istituzioni anziché solo per una manciata.

Una volta completato, il loro software open source, insieme alla nuova fotocamera 4-D ultraveloce di Berkeley Lab, aprirà la strada all'imaging di materiali a livello atomico o molecolare mentre si trasformano in risposta allo stress a una risoluzione ancora più elevata e a una velocità maggiore, disse Minore. Questa fotocamera è attualmente il rivelatore di elettroni più veloce al mondo, catturare istantanee atomiche a 87, 000 fotogrammi al secondo:circa 50 volte più veloce dell'attuale stato dell'arte.