Fig. 1. Sezione trasversale radiografica localizzata di un'isola di Ni. (a) Vista prospettica tridimensionale di una scansione topografica STM (110 × 60 nm2, −1 V, 1 nA). (b) Profilo in altezza della linea mostrata nella scansione topografica. (c) Sezione trasversale ai raggi X di una singola isola di Ni ottenuta da I(x–ray, campione) (in alto) e I (raggi X, punta) (in basso). (d) Corrente di campionamento I (raggi X, campione) non fornisce contrasto chimico, quando l'energia dei raggi X (E =8,25 keV) è al di sotto del bordo Ni K (8,33 keV). (e) L'isola Ni sulla terrazza Cu(111) e le isole lungo il bordo del gradino Cu diventano chiaramente visibili per le energie dei fotoni sopra il bordo Ni K, qui E =8,55 keV. Credito:N. Shirato et al., nano. Lett.
(Phys.org) — Negli ultimi tre decenni, La microscopia a effetto tunnel (STM) è diventata rapidamente una componente importante della cassetta degli attrezzi per la fisica della materia condensata. Mentre STM può fornire grandi quantità di dati sull'elettronica, strutturale, e proprietà magnetiche dei materiali a risoluzione atomica, il suo tallone d'Achille è la sua incapacità di caratterizzare le specie elementali. Ma un team dell'Argonne National Laboratory e dell'Università dell'Ohio ha trovato un modo per aggirare questa limitazione combinando STM con la versatilità spettroscopica dei raggi X di sincrotrone, ottenere il fingerprinting chimico di singoli cluster di nichel su una superficie di rame con una risoluzione di 2 nm, creare uno strumento di imaging su nanoscala potente e versatile con interessanti promesse e potenzialità per i materiali e le scienze biologiche. Il loro lavoro è stato pubblicato in Nano lettere .
Lavorando presso il Center for Nanoscale Materials (CNM)/X-ray Science Division 26-ID beamline della Advanced Photon Source del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i ricercatori hanno approfittato di alcune nuove innovazioni tecnologiche sviluppate dai ricercatori di Argonne.
Però, il team ha dovuto superare alcuni ostacoli sperimentali per combinare l'STM con i raggi X di sincrotrone. La risoluzione e la sensibilità dell'STM possono essere influenzate negativamente da elettroni fotoeiettati dal campione che interferiscono con la misurazione degli effetti di tunneling.
I ricercatori di Argonne hanno inventato e brevettato una "punta intelligente" nanofabbricata per il microscopio a scansione a effetto tunnel che focalizza nettamente il rilevamento degli elettroni esclusivamente su quelli raccolti sulla punta di scansione dove interagisce con il campione, ignorando gli elettroni di fondo dalle pareti laterali della punta. I vari rivestimenti per la punta intelligente sono stati coltivati presso il CNM, e quindi l'apice della punta è stato esposto tramite fresatura a fascio ionico focalizzata eseguita presso il Centro di microscopia elettronica (EMC) del CNM. (L'APS, CNM, ed EMC ad Argonne sono strutture per gli utenti dell'Office of Science.)
Un diagramma della configurazione dell'immagine, con la "punta intelligente" STM e un'immagine di ammassi di Ni (verde) sulla superficie del Cu (rosso). La punta intelligente è costituita da una punta conduttrice affilata (verde), rivestito coassialmente da uno strato isolante (grigio), un sottile strato di semi (blu), e uno scudo esterno conduttore (oro).
Il team ha anche sviluppato un circuito di filtro che separa i dati chimici e magnetici dalle correnti indotte dai raggi X e i dati topografici dagli effetti tunnel convenzionali in due canali, consentendo loro di essere registrati separatamente senza interferenze reciproche.
Utilizzando la risoluzione e la sensibilità notevolmente migliorate rese possibili con questi progressi nella microscopia a effetto tunnel a raggi X di sincrotrone (SX-STM), il team sperimentale dell'Argonne/Ohio University ha analizzato gli ammassi di nichel depositati su una superficie di rame. Generalmente, perché il fingerprinting chimico mediante raggi X si basa su sezioni trasversali di fotoionizzazione, tali misurazioni sono mediate su una superficie e una profondità piuttosto ampie. Ma la nuova tecnica è stata in grado di visualizzare e ottenere una sezione trasversale di fotoionizzazione di un singolo cluster di nichel sulla superficie del campione con una risoluzione di 2 nm.
"Abbiamo dimostrato un record mondiale nella risoluzione spaziale dell'imaging chimico utilizzando la microscopia a effetto tunnel a scansione di raggi X di sincrotrone, " ha detto Saw-Wai Hla, un coautore dell'articolo Nano Letters.
"Questo ha un enorme impatto per molte aree scientifiche, tra cui la scienza dei materiali, chimica, e materiali energetici, ", ha detto il co-autore Volker Rose.
Sia quella notevole risoluzione che la precisa impronta chimica dei singoli nanocluster di nichel erano chiaramente evidenti anche nelle immagini topografiche della superficie del campione, anche fino all'altezza di un singolo atomo. Gli sperimentatori notano che lo spessore dei singoli cluster sembra non avere alcun effetto sull'intensità del contrasto della loro firma chimica. Suggeriscono che, poiché il tunneling è un effetto locale sensibile solo allo strato più superficiale dei materiali, questo fenomeno, come osservato topograficamente, risulta dal tunneling di fotoelettroni eccitati ai raggi X da stati tra il livello di Fermi e la funzione di lavoro.
Mentre gli esperimenti attuali sono stati condotti a temperatura ambiente, i ricercatori prevedono di ottenere una risoluzione ancora migliore in SX-STM a temperature molto più basse.
Anche nella sua forma attuale, le tecniche dimostrate qui possono rivoluzionare l'imaging su nanoscala in ambiti ben oltre la scienza dei materiali, compresa l'elettronica e la biologia. Superando i limiti intrinseci sia della STM che della microscopia a raggi X, questo nuovo lavoro ha anche unito i punti di forza di ciascuno per creare uno strumento di imaging potente e versatile con una promessa e un potenziale entusiasmanti.
