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世界领先的显微镜采取坦诚原子的快照在他们的“邻居”

2019年11月5日
由:特里萨公爵
Selected electron beam diffraction patterns
电子用于形成束衍射图案中选择(上图)在底部所示的分子结构。 (下图)的4D-干地图迹线的小分子薄膜的分子结构。 (来源:科林ophus /伯克利实验室)

W并且可以直接看到隐藏的世界 由于电子显微镜原子的,首先在20世纪30年代开发的。如今,电子显微镜,使用电子束哪以照亮和放大的样品,甚至更复杂的成为,使真实世界的科学家利用的材料的快照与氢原子的小于直径的一半的分辨率。

现在,科学家们在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)系甚至进一步通过技术强大叫做4D干推电子显微镜的界限,这代表“的2D衍射图2D光栅使用扫描透射电子术语显微镜“。

他们的研究结果,报告中几乎 自然通讯 和 自然材料,显示首次如何4D干可以提供直接洞察到任何设备的性能 - 以灵活的半导体薄膜从强烈的金属玻璃 - 通过精确定位特定的原子“街区”可能危及到材料的性能,或者有潜在的改进它。

“从历史上看,电子显微镜已在高分辨率成像硬质材料最有用的,说:”作者和ew未成年人,为首的研究。未成年人是在伯克利实验室的国家电子显微镜中心(NCEM)设施总监 分子代工;材料科学部伯克利实验室的成员;在澳门葡京投注网站(备用网站)材料科学与工程系教授。

“现在,在研究这些,我们已经表明,当4D的茎是部署我们的高速探测器,算法定制的,功能强大的电子显微镜,该技术可以帮助科学家绘制出原子或分子材料中的任何区域 - 即使梁敏感的,柔软的材料 - 这还可以看到与以往的技术,“我说。

在软质材料映射出原子的街区

在电子和有机光伏柔性的领域中,科学家使用的x射线通常表征材料的由于所述结构的分子中的电子束会破坏电子显微镜材料。

“但是,X射线不能集中到单个原子的大小,”次要说。 “当谈到达到原子分辨率,没有什么比电子。你可以关注电子一个非常小的点,和电子非常强烈的反应用材料。那好,如果你想了很多的信号,但它的坏,如果你有一个光束敏感的材料。“

4D-STEM scan of small-molecule organic semiconductor
图4d-STEM扫描小分子有机半导体的都给前加入。衍射图案显示的在膜中的分子排列的方向。 (来源:科林ophus /伯克利实验室)

在他们的 自然材料 研究中,次要共同作者并演示了如何高速捕获检测器即原子在高达每秒1600帧以上动作4D-茎的小分子有机半导体的分子允许前所未有电影。显示电影中的分子排列在半导体,在有机经常使用太阳能电池中,响应于改变为共同加工添加剂如何(称为给或1,8-二碘辛烷),是已知的太阳能电池效率增强。

在进行自然 - 材料学作为Doe的软物质电子显微镜的一部分和散射计划,4D-干实验允许未成年人及其合着者绘制出分子的晶粒取向下令在材料看起来像相交,重叠连接相邻街区的道路。

这样的细节,这是可以不遵守使用传统的干,有显著由于低角度的边界 - 就像长,通过这些汽车可以在高速加速畅通直隧道 - 是必要的电子耦合,并产生一个功能性的充电半导体。

4D-STEM scan of small-molecule organic semiconductor
加入后,他4D-干扫描小分子有机半导体构成。 (来源:科林ophus /伯克利实验室)

使用ESTA强大的新技术,研究人员清楚地表明,在给定的添加剂大大改变了设备的纳米结构,和这ESTA重叠晶粒结构的关键是从这些材料制成的太阳能电池中观察到的提高的效率,解释科林ophus,在NCEM研究科学家。

“为什么重要的是要看到一个材料的取向分布的原因是由于强烈的这些边界调解设备的导电性,”我说。 “如果一个电子撞击墙壁或晶界有反弹的机会很高,其中它的性能妥协。”

更好建材,通过原子原子

 在他们的 自然通讯 研究,开展为Doe的材料方案,未成年人,ophus,和共同作者的力学行为部4D-STEM用于查明原子尺度的“薄弱环节”,在块体金属玻璃,导致骨折最终在压力之下。

Scan of increasing deformation in nanostructure
伯克利实验室的研究4D-STEM用来直接测量纳米结构的块体金属玻璃的变化,因为它打破了。 (来源:伯克利实验室)

普通金属是晶体材料,这意味着它们的原子排列在一个完美的,重复的模式 - 完全一样堆叠立方体里面,让他们填写的空间网球。当一个原子是缺少这样的缺陷是明显的在电子显微镜下,使其更容易预测何处材料可能会受到损害。

但是块状金属玻璃(非晶合金)是无定形的,这意味着原子的它们的形式无序图案 - 就像一个随机组装的,不稳定的桩网球,高尔夫球,棒球,扔在一个盒子里。不可预测的,这种结构是什么很难使其成为科学家找出材料作为在哪里他们可能会躲在妥协材料的韧性这些原子缺陷。

有高速电子检测器通过使用图4d-STEM,原子之间测量内BMG材料的某些区域,并记录在ESTA间距为设备“菌株”或变化的平均间距的研究人员被拉动直至其断裂。

他们指出,图4d-干,当组合时随着高速电子检测器和快速算法来分析数十万衍射图案的至样品自始至终,可以识别前体的原子结构材料的原因它失败,ophus说。

着眼于未来4D-STEM

在婚姻ESTA高速探测器和4D-STEM显微镜算法之间的心脏是finespun,其中ophus为每个用户定制4D干翻砂厂的NCEM设施运行实验。

“我们跑了一些速度最快的4D-干模拟代码在世界上,并在铸造每个用户项目带来了独特的挑战,不同的材料,需要“从许多不同的样品,性能测量”说ophus。 “但我们知道,不是每个人都可以编写代码,所以我们可以帮助我们的用户通过开发定制编写的,用户友好的软件来模拟他们在规模空前的这些允许现实世界和模型材料。”

这增加ophus用户可以定制他们的脚本,即使没有来伯克利实验室受益。我和次要,从伯克利实验室的计算研究部门和协作与研究人员的 丰田研究所正在开发的 开源的,基于Python的软件 使4D-干的电力可用于数百家院校而不只是少数。

11完成后,他们的开源软件,再加上伯克利实验室的新型超高速4D摄像头,将顺利的在原子或分子水平的材料成像的方式,因为他们在响应变形应力以更高的分辨率和更快的速度,小的说。目前ESTA相机是世界最快的电子检测器,在原子87000帧每秒捕获的快照:比现有技术的当前状态快约50倍。

对于自然通讯研究:

从伯克利实验室,澳门葡京投注网站(备用网站),并在奥地利材料科学的埃里希·施密德研究所的研究人员参与了这项研究。

这项工作是由材料程序的科学力学行为美国能源部办公室的支持。在分子铸造厂工作的电子显微镜是由科学能源部办公室的支持。模拟使用进行分子动力学是能源研究科学计算中心(NERSC)的国家资源,以美国科学用户设施的能源办公室的部门。

自然材料的研究:

从伯克利实验室,澳门葡京投注网站(备用网站),斯坦福大学,SLAC国家加速器实验室的研究人员,并参与了这项研究。

这项工作是由软物质电子显微镜程序的科学能源部办公室的支持。在分子铸造工作是由科学能源部办公室的支持。额外的资金由美国国家科学基金会提供。

分子铸造厂,专门从事纳米科学和国家能源研究科学计算中心(NERSC)是科学用户设施能源部办公室。

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公司成立于1931年的信念,最大的科学挑战最好由小组讨论, 劳伦斯伯克利国家实验室 与科学家已经认识到与13个诺贝尔奖。今天,伯克利实验室的研究人员开发可持续能源和环境解决方案,创造有用的新材料,推进计算的前沿,探讨生活,物质的奥秘,宇宙。来自世界各地的科学家们依靠实验室为自己的发现科学设施。伯克利实验室是一个多重节目国家实验室,澳门葡京投注网站的美国管理科学的能源办公室的部门。

科学能源部办公室是在美国物理科学基础研究的单一最大支持者,并正在努力解决一些我们这个时代最紧迫的挑战。有关更多信息,请访问: energy.gov/science.