Новости химической науки > Кристаллическая решетка под микроскопом

Исследователи из США смогли определить точное положение единичных атомов в кристаллической решетке.

Метод, с помощью которого удалось получить такую информацию, представляет собой модификацию метода сканирующей просвечивающей электронной микроскопии [ scanning transmission electron microscope (STEM)] и может оказаться полезным для понимания того, каким образом химическое связывание и искажение кристаллической решетки влияют на свойства сплавов.

С момента разработки в 30-х годах ХХ века электронная микроскопия используется для детального изучения микрообъектов – с помощью электронного микроскопа были получены фотографии уникального строения снежинок или щетинок на ножках живых насекомых. Специалисты по материаловедению пытаются приспособить электронную микроскопию для детального изучения строения металлов или сплавов. Тем не менее, несмотря на очевидные успехи в этой области, до сих пор не удавалось определить точное положение и особенности движения атомов металла в составе металлической кристаллической решетки.

Джеймс ЛеБё (James LeBeau) из Университета Северной Каролины отмечает, что в настоящее время на основании результатов дифракционных методов мы можем знать усредненное положение атомов в кристаллической решетке, однако провести их локализацию с атомной точностью очень сложно.

ЛеБё уверен, что причиной этого обстоятельства является некоторое несовершенство микроскопии – так, если температура комнаты, в которой проводится эксперимент, увеличивается на доли градуса, может происходить термическое расширение каретки, на которой закреплен изучаемый образец, в результате чего происходит смещение образца на несколько ангстрем. Исследователь подчеркивает, что из-за таких термических расширений/сжатий «испорчено» каждое изображение, полученное с помощью метода STEM.

Для исправления подобного рода «разбродов и шатаний» исследователи решили разработать «вращающийся» сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, просто перепрограммировав обычный STEM таким образом, чтобы он сканировал образец в различных направлениях. За счет такой модернизации ЛеБё и коллеги получили возможность отслеживать искажения, вызванные «температурным дрейфом» и полностью удалить их из конечного изображения.

Исследователям удалось определить точное положение атомов в оксиде лантана-стронция-алюминия-тантала. (Рисунок из Appl. Phys. Lett., 2015, 106, 061913, DOI: 10.1063/1.4908124)

Избавившись от такого искажения, исследователи смогли определить атомную структуру оксида лантана-стронция-алюминия-тантала [lanthanum strontium aluminium tantalum oxide (LSAT)] – сложного неорганического материала, применяющегося при изготовлении тонких пленок.

В результате проведенного эксперимента удалось наблюдать существенное искажение (сжатие) атомов лантана и стронция в рамках атомных колонн, если же в составе такой колонны имеется тантал, напротив – наблюдается его расширение. По словам исследователя, существует прямая зависимость между типом атома, находящимся в определенном положении кристаллической решетки, и степенью искажения, а такие искажения, в свою очередь, могут влиять на структуру всего кристалла, что, конечно же, будет влиять на его свойства. Таким образом, появляется возможность определить, каким образом свойства материала будут меняться при изменении его строения.

Также ЛеБё надеется, что информация, полученная с помощью модифицированного в его группе сканирующего микроскопа, может оказаться полезной для дополнения результатов, полученных с помощью косвенных методов изучения структур, например, рентгеновской дифракции – такой подход может оказаться успешным для получения более полной информации об атомном строении вещества.

Источник: Appl. Phys. Lett., 2015, 106, 061913, DOI: 10.1063/1.4908124

метки статьи: #аналитическая химия, #природа химической связи, #химия твердого тела