納米科學：表面化學的新面貌！
在掃描電子顯微鏡的漫長而自豪的歷史中，第一次解決了材料表面獨特的原子結構。科學成像的這一裡程碑是由多機構研究團隊開發的新分析技術實現的，其中包括美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）的科學家，我們開發了一種合理的直接方法來確定表面的原子結構，這也解決了埋藏界面非常具有挑戰性的問題，」分子鑄造廠國家電子顯微鏡中心（NCEM）的科學家Jim Ciston說。 ，美國能源部科學用戶設施辦公室。「雖然表面原子佔材料中原子總數的一小部分，但這些原子驅動了材料與環境的大部分化學相互作用，Ciston是「 自然通訊 」雜誌上一篇描述這種新分析方法的論文的主要作者和通訊作者。該文章的標題是「通過原子分辨的二次電子成像進行表面測定」。其他合著者包括Hamish Brown，Adrian D'Alfonso，Pratik Koirala，Colin Ophus，Yuyuan Lin，Yuya Suzuki，Hiromi Inada，Yimei Zhu，Les Allen和Laurence Marks。
大多數材料通過其表面與其他材料相互作用，這些材料在結構和化學方面通常與大部分材料不同。許多重要的過程發生在表面，從用於產生能量密集燃料的催化劑，陽光和二氧化碳，到橋梁和飛機如何生鏽，從本質上講，每種材料的表面都可以作為自己的納米材料塗層，可以極大地改變其化學和行為，」Ciston說。「要了解這些過程並提高材料性能，了解原子在表面的排列方式至關重要。雖然現在有很多很好的方法可以獲得相當平坦的表面信息，但當表面粗糙時，目前大多數可用的工具都受限於他們可以透露什麼。
這項技術的優點在於我們可以同時對表面原子和大塊原子進行成像，」布魯克海文國家實驗室的科學家朱共同說。「目前，任何現有方法都無法實現這一目標，掃描電子顯微鏡（SEM）是用於研究表面的優異技術，但通常僅提供關於納米級解析度的拓撲的信息。一種非常有前景的新版掃描電子顯微鏡，稱為「高解析度掃描電子顯微鏡」或HRSEM，將這種解析度擴展到原子尺度，同時提供表面和體原子的信息，保留了傳統SEM的大部分表面靈敏度。通過二次電子。
傳統的透射電子顯微鏡圖像是眾所周知的，需要證實我們實際上具有正確的結構並且新的HRSEM理論是在正確的軌道上，」Ciston說。「總的來說，分析使我們能夠明確地將表面信息參考來自大塊晶體的信息，計算和實驗結果之間的良好一致性表明，HRSEM是一種非常有前途的表面結構測定工具，包括批量/表面配準的挑戰性主題。從他們的演示中，合作發現先前報導的具有「6x2周期性」的鈦酸鍶的原子表面結構是錯誤的，未能在通常高的氧化鈦基團表面覆蓋範圍內檢測到異常的七重配位，我們通過調查研究得很好的材料來開始這項工作，但是新技術非常強大，以至於我們不得不修改已被認為眾所周知的大部分內容，」Ciston說。
共同作者艾倫是澳大利亞墨爾本大學的科學家，他領導了新成像技術的理論和建模方面，並補充說：「我們現在對圖像的含義有了深刻的理解，也許應用這種新的HRSEM表面分析技術的第一個目標是研究納米顆粒小平面上的表面結構。納米粒子面的表面結構對於使用電子顯微鏡在平面圖（從上面看）中成像非常具有挑戰性，如Ciston解釋的那樣需要校正的缺陷，規劃視圖幾何很重要，因為表面結構通常會形成多個域，我們需要確保我們不會通過多種結構和方向進行投影，」他說。「這是一個非常具有挑戰性的問題，因為掃描探針技術通常不能以原子解析度處理納米顆粒表面，而表面X射線衍射需要大的單晶表面，西北大學材料科學與工程學教授共同作者馬克斯說：「我們也很高興將這些應用於腐蝕問題。工業和軍隊的腐蝕成本是巨大的，我們需要了解生產能夠持續更長時間的材料的一切。