(Phys.org)—Un team di ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dell'Università dell'Ohio ha ideato una potente tecnica che risolve simultaneamente la caratterizzazione chimica e la topografia dei materiali su scala nanometrica fino all'altezza di un singolo atomo.

La tecnica combina i raggi X di sincrotrone (SX) e la microscopia a effetto tunnel (STM). Negli esperimenti, i ricercatori hanno usato SX come sonda e una punta intelligente nanofabbricata di un STM come rivelatore.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori hanno rilevato l'impronta digitale chimica di singoli cluster di nichel su una superficie di rame con una risoluzione laterale di due nanometri (nm), e alla massima sensibilità all'altezza del singolo atomo. Variando l'energia del fotone, i ricercatori hanno utilizzato la differenza nelle sezioni trasversali del fotoassorbimento per il nichel e il substrato di rame per visualizzare chimicamente un nanocluster di nichel singolo, aprendo così la porta a nuove opportunità per l'imaging chimico di materiali su nanoscala. Fino ad ora, era raggiungibile un limite spaziale di soli 10 nm circa, e i ricercatori campionavano simultaneamente un'ampia area campione. I ricercatori hanno migliorato la risoluzione spaziale a 2 nm.

"L'imaging con sensibilità chimica diretta è stato un obiettivo di lunga data da quando sono stati sviluppati i microscopi a scansione a effetto tunnel negli anni '80, " ha detto Volker Rose, un fisico della divisione di scienze dei raggi X. "È stato molto emozionante quando abbiamo ottenuto il contrasto elementare di un materiale a una sola altezza dello strato atomico".

"Questo è un matrimonio tra due dei più potenti strumenti della scienza dei materiali, " disse Saw-Wai Hla, gruppo di materiali e dispositivi elettronici e magnetici leader nella divisione Nanoscience &Technology di Argonne. "Ora abbiamo uno strumento in grado di svolgere le funzioni di STM e raggi X in un unico ambiente, e quindi ha un grande potenziale per rivoluzionare la caratterizzazione dei materiali."

Per condurre l'esperimento, i ricercatori hanno utilizzato la linea di luce 26-ID del Center for Nanoscale Materials (CNM) presso l'Advanced Photon Source (APS), che è dotato di due dispositivi ondulatori collineari che fungono da sorgente di raggi X e un monocromatore a doppio cristallo che seleziona l'energia del fotone. I raggi X sono stati fatti passare attraverso un beam chopper per accendere e spegnere rapidamente il raggio e quindi illuminare la giunzione punta/campione nell'SX-STM. Ciò ha consentito il rilevamento lock-in molto sensibile delle correnti indotte dai raggi X.

L'esperimento è stato condotto a temperatura ambiente, che ben si adatta alle esigenze della maggior parte del fisico, chimico, applicazioni biologiche e nanomateriali. Il team prevede che una risoluzione spaziale ancora più elevata potrebbe diventare possibile con un nuovo strumento attualmente in fase di sviluppo.

"Il prossimo passo sarà estendere la nuova tecnica alle basse temperature, " nota Rose. "Le nostre misurazioni indicano che la risoluzione atomica può essere ottenibile a 5 K (circa 450 F negativi)."

Questa ricerca è stata finanziata dal DOE Office of Science Early Career Research Program. L'APS e il CNM sono strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE situate ad Argonne.

Nozomi Shirato, Marvin Cummings e Benjamin Stripe, nominati post-dottorato ad Argonne, e Heath Kersell e Yang Li, studenti laureati in fisica all'Università dell'Ohio, aiutato a condurre gli esperimenti. Saw-Wai Hla e Volker Rose, di Argonne, progettato l'esperimento e Daniel Rosenmann, di Argonne, fatto la punta intelligente. Curt Preissner, della divisione APS Engineering Support di Argonne, fornito supporto ingegneristico, e Jon Hiller, già membro del gruppo Centro di microscopia elettronica della CNM, aiutato a fare la mancia intelligente.