原子探针断层扫描:看到数以百万计的原子在3 d

在显微镜和显微分析的固态纳米结构,单个原子或分子定义最终的长度尺度。我们面临的挑战是成像单个原子和能够识别其化学;这一直是发展的驱动力许多显微镜和显微分析技术(图1)。一些成功的例子,特别是在材料科学,包括高分辨率透射电子显微镜和扫描隧道显微镜(和它的导数原子力显微镜)。亚博网站下载亚博老虎机网登录

图1所示。化学灵敏度和空间分辨率的定量比较不同的微量分析技术。APT也擅长捕捉的能力不同的化学和结构信息的方法。

在过去的三十年,有稳定的进步发展的透射电子显微镜通过充分利用物理相关的电子光学从减少畸变的镜头畸变与电子探针本身有关。由于这些改进,我们现在可以在原子尺度实现sub-angstrom分辨率成像的固体的内部结构。

同样,扫描探针显微镜(或“近场技术探测器接近标本)可以提供原子尺度的图像表面的固体。原子探针断层扫描(APT)代表一个革命性的材料表征工具,可以形象单个原子在三维空间中,一个主要的进步超过其他显微技术的二维图像亚博网站下载^{1 - 8}。

事实上往往也是一个化学分析的工具,使我们能够检测每个原子的化学特性。恰当的独特性是由这一事实可以进一步提高图像成千上万的原子,而不仅仅是一个最多几十或几百左右原子在STM或TEM(图2)

图2。贴切的形象Sc集群(红色原子)铝原子(蓝色)合金

原子探针断层的原则

恰当的有它的起源在电场离子显微镜(鱼类),贫民窟的一把锋利的针表面原子像标本(样本的尖端半径小于50 nm)是由场电离气体原子成像投影到屏幕成像。鱼翅是一个解决单个原子的无透镜的点投影显微镜标本等的表面针超过一百万次。

与质谱仪的集成到系统中,鱼类已经演变成现在一般称为原子探针断层扫描(APT),产生3 d组分图像在原子尺度分析灵敏度很高(10原子ppm)。它涉及到控制去除试样表面的原子场蒸发或激光脉冲,然后连续成像和分析他们飞行时间质谱仪(TOF)。

提取的离子被投射到一个位敏探测器记录他们的位置。飞行时间测量离子提供它们的化学离子的质荷比的身份(图3)。虽然鱼翅最初是由欧文•穆勒(george w . bush)在半个世纪前和原子探针显微镜本身可以追溯到ca。1968年,直到最近,高度复杂的和可靠的仪器已成为商用。最近商业化当地电极的原子探针(跳跃)的最大数量进一步增加原子在一个分析成千上万的原子,减少了分析而不是几天时间分钟^{4 - 6}。

图3。鱼翅形象从激光脉冲W提示显示低密度附近的原子主要晶体取向

应用程序

许多优秀的概述的历史演变和应用这种技术的存在^{1 - 8}。当结合的深度分辨率inter-planar原子层进行深度剖析,一个恰当的提供空间分辨率最高的微量分析技术。这种能力提供了一个独特的机会来研究实验与原子分辨率,原子的化学聚类和三维分布。能够解决与原子尺度的结构和化学等细节决议允许一个跟踪空间化学变化(图4)

图4。在图(a)一个可以观察到铜的晶格飞机垂直运行。这些飞机的表面曲率是由于仪器扭曲。每个点与一个原子相关联。同样的标本图b显示的三维分布铜(橙色)、氧气(红色)和措(蓝色)离子与一个超氧化薄层表面的铜。图(c)显示了一个成分剖面事实上决议。

的非凡影响往往作为一种工具在纳米科学因此受其集体能力:亚博老虎机网登录

• 图像在原子层面上,
• 分析化学在原子级别和
• 收集这两个类别的信息在三维空间和空间选择性的标本与数以百万计的原子

与这些功能,恰当的迅速被应用到解决一系列广泛的纳米科学问题,如掺杂剂在半导体和溶质集群映射复杂的合金。亚博老虎机网登录这些基本的研究影响广泛的工程技术包括电子材料,如光伏发电的发展和数据存储。亚博网站下载空间的能力解决化学集群在复杂合金有重要影响的设计下一代的高温材料,如航空航天材料。亚博网站下载

恰当的未来

恰当的未来纳米科学和技术领域的令人兴奋和具有挑战性。亚博老虎机网登录两个这样的应用程序领域的现场研究,研究气相的反应,另一个是生物材料的研究亚博网站下载

例如研究人员开发了一种气体反应室一个原子探针研究催化反应。如前所述,塞雷佐出版社。针形状的标本是优势的表面反应催化剂材料的研究。亚博网站下载在这种情况下,针状标本的顶点是一个很好的模拟了半个催化剂/纳米颗粒,在多个晶面暴露在非常靠近。这个可以研究影响由于地区的不同晶体学之间的相互作用,不像大多数表面使用平单晶标本的科学实验。亚博老虎机网登录这是有时被称为表面科学的“材料缺口”。亚博网站下载亚博老虎机网登录连接气体反应室与恰当的可以帮助解决问题,比如原子站点是最被动的,以及如何稳定这种催化剂表面的活性气体分子的成分/流率的变化

通过恰当的生物样品的研究提供了令人兴奋的可能结构生物学的新方法。如前所述,格林出版社。¹⁰,有效地分析生物和有机标本使用APT,几个实验的参数作为衬底的选择,电场强度、温度和激光脉冲characteristics-must优化产量质量碎片,可以从典型的可重复的蒸发和可靠地确定有机背景。

最后,它应该认识到,一个原子探针在某种意义上是“哈勃望远镜”材料,前所未有的能力来检测大量的原子以极快的速度。亚博网站下载这个实验能力进而创建一个处理提供的海量数据的计算挑战需要处理大量的信息量化图像和化学¹¹。

引用

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