Investigadores de la Universidad de California, Irvine, han desarrollado un nuevo método de microscopía electrónica de transmisión de escaneo que permite la visualización de la densidad de carga eléctrica de los materiales con una resolución inferior al angstrom.
Con esta técnica, los científicos de la UCI pudieron observar la distribución de electrones entre átomos y moléculas y descubrir pistas sobre los orígenes de la ferroelectricidad, la capacidad de ciertos cristales de poseer una polarización eléctrica espontánea que se puede cambiar mediante la aplicación de un campo eléctrico.La investigación, que se destaca en un estudio publicado hoy en Naturaleza también reveló el mecanismo de transferencia de carga entre dos materiales.
"Este método es un avance en la microscopía electrónica, desde la detección de átomos hasta la formación de imágenes de electrones, que podría ayudarnos a diseñar nuevos materiales con las propiedades y funcionalidades deseadas para los dispositivos utilizados en el almacenamiento de datos, la conversión de energía y la computación cuántica", dijo el líder del equipoXiaoqing Pan, Presidente de Ingeniería de Ingeniería Henry Samueli de la UCI y profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física y astronomía.
Empleando un nuevo microscopio electrónico de transmisión de exploración con corrección de aberración con una fina sonda electrónica que mide medio angstrom y una cámara de detección de electrones de dirección rápida, su grupo pudo obtener una imagen rasterizada 2D de patrones de difracción de una región de interés en elmuestra. Como se obtuvo, los conjuntos de datos son 4D, ya que consisten en patrones de difracción 2D de cada ubicación de sonda en un área de escaneo 2D.
"Con nuestro nuevo microscopio, podemos formar rutinariamente una sonda de electrones tan pequeña como 0.6 angstrom, y nuestra cámara de alta velocidad con resolución angular puede adquirir imágenes STEM 4D con 512 x 512 píxeles a más de 300 cuadros por segundo", Pan"Usando esta técnica, podemos ver la distribución de carga de electrones entre los átomos en dos óxidos de perovskita diferentes, titanato de estroncio no polar y ferrita ferroeléctrica de bismuto".
La densidad de carga de electrones en materiales a granel puede medirse mediante rayos X o técnicas de difracción de electrones asumiendo una estructura perfectamente libre de defectos dentro del área iluminada por el haz. Pero, dijo Pan, queda un desafío para resolver la densidad de carga de electrones en nanoestructuradosmateriales que consisten en interfaces y defectos.
"En principio, el campo eléctrico local y la densidad de carga pueden determinarse mediante imágenes de difracción de electrones utilizando un microscopio electrónico de transmisión de exploración con corrección de aberración con una sonda de electrones sub-angstrom", dijo. "Mientras penetra a través de una muestra, el haz de electronesinteractúa con el campo eléctrico interno del material en su camino, lo que resulta en un cambio en su impulso reflejado en el patrón de difracción. Al medir este cambio, se puede delinear el campo eléctrico en una región local de la muestra y se puede determinar la densidad de cargaderivado."
Pan agregó que aunque este principio se ha demostrado en simulaciones, ningún experimento ha tenido éxito hasta ahora.
"Los mapas de densidad de carga de electrones obtenidos usando el método 4D STEM coinciden con los resultados teóricos de los cálculos del primer principio", dijo el autor principal Wenpei Gao, investigador postdoctoral de la UCI en ciencia e ingeniería de materiales. "El estudio del ferroeléctrico / aislanteLa interfaz entre la ferrita de bismuto y el titanato de estroncio usando esta técnica muestra directamente cómo las características de la estructura atómica polar del compuesto de bismuto se filtran a través de la interfaz, apareciendo en el titanato de estroncio normalmente no polar. Como resultado, la interfaz alberga electrones en exceso confinados a una pequeña regiónmenos de 1 nanómetro de espesor "
Pan dijo que este proyecto brinda a los científicos e ingenieros de materiales nuevas herramientas para evaluar estructuras, defectos e interfaces en materiales funcionales y nanodispositivos. Señaló que pronto será posible realizar un mapeo de alto rendimiento de la densidad de carga de materiales y moléculas paraagregar a la base de datos de propiedades que ayudan en la Iniciativa de Genoma de Materiales.
"A medida que la microscopía electrónica avance de la formación de imágenes de átomos a electrones de sondeo, conducirá a una nueva comprensión y descubrimiento en la investigación de materiales", dijo el coautor Ruqian Wu, profesor de física y astronomía de la UCI, quien dirigió el trabajo teórico del estudio ".la capacidad de obtener imágenes de la distribución de densidad de carga alrededor de los átomos cerca de interfaces, límites de grano u otros defectos planos abre nuevos campos para la microscopía electrónica y la ciencia de los materiales ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Irvine . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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