Tomografía de la Antena del Átomo: Viendo Millones de Átomos….en 3D

Introducción

En el mundo de la microscopia y del microanálisis de nanostructures de estado sólido, un único átomo o molécula define la escala final de la longitud. El reto a que hacemos frente es proyección de imagen al único átomo y pudiendo determinar su química; y ésta ha sido la fuerza impulsora para el revelado de muchas técnicas de la microscopia y del microanálisis (Cuadro 1). Algunos buenos ejemplos de esto, especialmente en la ciencia material, incluyen microscopia de alta resolución el hacer un túnel de la microscopia electrónica y de la exploración de transmisión (y su microscopia atómica derivada de la fuerza).

Cuadro 1. Una comparación cuantitativa de la sensibilidad química y de la resolución espacial entre una variedad de técnicas microanalíticas. El APARTAMENTO también sobresale en su capacidad de capturar diversas modalidades de la información química y estructural.

Durante los treinta años pasados, ha habido un adelanto constante en el revelado de la microscopia electrónica de transmisión completo explotando la física de la óptica de electrón que colocaba de reducir las aberraciones asoció los lentes a las aberraciones asociadas a la antena de electrón sí mismo. Debido a estas mejorías, podemos ahora lograr la resolución del sub-angstrom en la proyección de imagen atómica de la escala de la estructura interna de macizo.

Semejantemente, la microscopia de exploración de la antena (o “cerca de técnicas del field donde está cercana la antena al espécimen) puede proporcionar a las imágenes atómicas de la escala de la superficie de un macizo. La Tomografía de la Antena del Átomo (APT) representa una herramienta revolucionaria para los materiales que pueden los átomos individuales de la imagen en tres dimensiones, un adelanto importante de la caracterización sobre las imágenes bidimensionales de otras técnicas de la microscopia^1-8.

De hecho el APARTAMENTO es también una herramienta de análisis químico que permite que detectemos la identidad química de cada átomo. La unicidad del APARTAMENTO es aumentada más a fondo por el hecho de que puede uno imagen cientos de millones de átomos, y no apenas algunos diez o a lo más unas centenas o tan átomos en STM o TEM (Cuadro 2)

Cuadro 2. imagen del APARTAMENTO del Sc que se agrupa (átomos rojos) en una aleación de aluminio (de los átomos azules)

Principios de la Tomografía de la Antena del Átomo

El APARTAMENTO tiene sus orígenes en el microscopio del campo-ión (FIM), wherethe que los átomos superficiales en una aguja sostenida como espécimen (el radio de la punta de la muestra es menos de 50 nanómetro) son reflejados por los átomos ionizados campo del gas proyectados sobre una pantalla de la proyección de imagen. La FIM es un microscopio de proyección lensless de la punta que resuelve los átomos individuales en la superficie de la aguja como espécimen en durante millón de veces.

Con la integración de un espectrómetro de masas en el sistema, la FIM se ha desarrollado en qué ahora genéricamente se llama como tomografía de la antena del átomo (APT), que produce imágenes compositivas tridimensionales en la escala atómica con la sensibilidad analítica muy alta (10 porciones atómicas por millón). Implica el retiro controlado de átomos de la superficie de un espécimen pulsando de la evaporación o del laser del campo, y entonces proyección de imagen y analizándolas secuencialmente con un espectrómetro de masas (TOF) de la hora de vuelo.

Los iones extraídos se proyectan sobre un detector posición-sensible para registrar su ubicación. Las mediciones de la Hora de vuelo en los iones proporcionan a su identidad química como relación de transformación de la masa-a-carga del ión (Cuadro 3). Mientras Que la FIM fue desarrollada originalmente por Erwin W. Müller encima hace medio siglo y el microscopio sí mismo de la antena del átomo data de CA 1968, es solamente bastante recientemente que los instrumentos altamente sofisticados y seguros han llegado a ser disponibles en el comercio. La comercialización reciente de los aumentos posteriores del electrodo de la antena (LEAP) local del átomo el número máximo de átomos en un análisis cientos de millones de átomos y reduce la duración de análisis a los minutos bastante que días^4-6.

El Cuadro 3. imagen de la FIM del laser pulsó punta de W que mostraba la baja densidad de átomos cerca de orientaciones cristalográficas importantes

Aplicaciones

Muchas reseñas excelentes de la evolución y de las aplicaciones históricas de esta técnica existen^1-8. Cuando está combinado con la resolución de la profundidad de una capa atómica inter-planar para la profundidad que perfila, un APARTAMENTO proporciona a la resolución espacial más alta de cualquier técnica del microanálisis. Esta capacidad proporciona a una oportunidad única de estudiar experimental con la resolución atómica, el agrupamiento de la substancia química y distribuciones tridimensionales de átomos. La capacidad de resolver a tal detalle estructural y químico con la resolución atómica de la escala permiso que una sigue su trayectoria variaciones espaciales en la química (Cuadro 4)

Cuadro 4. En la figura (a) uno puede observar los aviones de cedazo en el cobre que se ejecuta verticalmente. La curvatura evidente de estos aviones es debido a las distorsiones instrumentales. Cada punto se asocia a un átomo. El mismo espécimen en la figura b que muestra a los 3 la distribución dimensional del cobre (anaranjado), del oxígeno (rojo) y de iones (azules) de CuO asociados a un ultra de capa delgada del óxido en la superficie del cobre. La Figura (c) muestra un perfil compositivo con la resolución del sub-nanómetro.

El impacto extraordinario del APARTAMENTO como herramienta en nanoscience por lo tanto es regulado por su capacidad colectiva:

• imagen en el nivel atómico,
• analice la química en el nivel atómico y
• recolecte ambas estas clases de la información en tres dimensiones y con selectividad espacial en el espécimen con cientos de millones de átomos

Con estas capacidades, el APARTAMENTO se está aplicando rápidamente para dirigir una amplia gama de los problemas de la ciencia del nanoscale tales como dopante que correlaciona en los semiconductores y el soluto que se agrupan en aleaciones complejas. Tales estudios fundamentales están afectando una amplia gama de las tecnologías de la ingeniería incluyendo progresos en materiales electrónicos tales como almacenamiento del photovoltaics y de datos. La capacidad espacial de resolver la substancia química que se agrupa en aleaciones complejas tiene ramificaciones importantes en el diseño de la generación siguiente de materiales des alta temperatura tales como materiales aeroespaciales.

El Futuro para el APARTAMENTO

El futuro del APARTAMENTO en el campo del nanoscience y de la tecnología es emocionante así como desafiador. Dos tales aplicaciones están en el campo de los estudios "in-situ" para estudiar reacciones del sólido-gas y el otro es el estudio de materiales biológicos

Los Investigadores por ejemplo han desarrollado un compartimiento de la reacción del gas para una antena del átomo para estudiar reacciones catalíticas. Según Lo observado por Cerezo et.al., la dimensión de una variable de la aguja del espécimen está de ventaja en el estudio de reacciones en la superficie de los materiales del catalizador. En este caso, el ápice del espécimen acicular es un buen análogo para la mitad de un catalizador/un nanoparticle, donde los aviones cristalinos múltiples se exponen en mismo la gran proximidad a otra. Esto permite estudiar los efectos debido a la interacción entre las regiones de diversa cristalografía, a diferencia en de la mayoría de los experimentos superficiales de la ciencia que utilizan especímenes monocristal planos. Esto se refiere a veces mientras que los “materiales abren” en la ciencia superficial. La Interconexión de un compartimiento de la reacción del gas con el APARTAMENTO puede ayudar a abordar las ediciones tales como las cuales los sitios atómicos son los más reactivos, y cómo el establo tales superficies del catalizador está frente a las composiciones cambiantes los flujos de las moléculas reactivas del gas

El estudio de muestras biológicas vía el APARTAMENTO ofrece el potencial emocionante para una nueva aproximación a la biología estructural. Según Lo observado por Greene et.al. , ¹⁰analizar efectivo especímenes biológicos y orgánicos usando el APARTAMENTO, varios parámetro-tales experimentales como la opción del substrato, la fuerza de campo eléctrico, la temperatura, y el pulso del laser característica-se deben optimizar para rendir los fragmentos en masa que se pueden repeatably evaporar y determinar seguro de los antecedentes orgánicos típicos.

Finalmente, debe ser reconocido que una antena del átomo es en cierto modo el “telescopio de Hubble” para los materiales, con la capacidad sin precedente de detectar números masivos de átomos a un tipo extremadamente rápido. Esta capacidad experimental a su vez crea un reto de cómputo de tratar del diluvio de los datos permitido por cantidades de información masivas que necesite ser tramitada para cuantificar la imagen y la química¹¹.

Referencias

1. Un Cerezo, un P.H. Clifton, un S. Lozano-Pérez, un P. Panayi, un G.Sha y un GDW Smith; Progreso Reciente de la Reseña en instrumentos tridimensionales y aplicaciones de la antena del átomo; Micro. Microanalyis 13 408-417 (2007)
2. MK Miller, Un Cerezo, MAGNESIO Hetherington, y GDW Smith, Microscopia del Campo-Ión de la Antena del Átomo, Págs. 447-465. Oxford, REINO UNIDO: Prensa de la Universidad de Oxford. (1996)
3. M.K. Miller y E.A. Kenik, Tomografía de la Antena del Átomo: Una Técnica para la Caracterización de Nanoscale, Microsc. Microanal., 10:336-341, (2004)
4. T.F. Kelly, D.J. Larson, K. Thompson, J.D. Olson R.L. Alvis y J.H. Bunton, PUNTO DE EBULLICIÓN. Gorman, tomografía de la antena del Átomo de materiales electrónicos; Revista Anual de la Investigación de los Materiales, 37:681-727, (2007)
5. T.F. Kelly y M.K. Miller. Crítica Invitada: tomografía de la antena del átomo. Revista de Instrumentos Científicos, 78(03): 1101 (2007)
6. Tomografía de la Átomo-Antena de David N. Seidman Three-dimensional: Avances y Aplicaciones Annu. Rev. Mater. Res. 2007. 37:127-58
7. M.K. Miller. tomografía de la Átomo-Antena. Editores del Academic/del Pleno de Kluwer, Nueva York, (2000).
8. M.K. Miller, A. Cerezo, M.G. Heatherington, y G.D.W. Smith, microscopia del campo-ión de la Átomo-Antena, Prensa de Clarendon, Oxford, (1996)
9. P.A.J. Bagot, T Visart de Bocarme, A. Cerezo y G.D.W. Estudio de la antena del átomo de Smith GDW 3D de la adsorción y de la reacción de gas en superficies del catalizador de la aleación: I Ciencia Superficial 600 3028-3035 de la Instrumentación (2006)
10. Marque E. Greene, Ty J. Prosa, Juan A. Panitz, David J. Larson, y a Thomas F. Kelly Development de la Tomografía de la Antena del Átomo para los Materiales Biológicos; Microsc Microanal 15 (Suppl 2), (2009) 582-583
11. S. Sello, M. Moody, A. Ceguerra, S. Ringer, K. Rajan, y S. Aluru. Seguir Su Trayectoria la evolución nanostructural en aleaciones: Análisis En Grande de los datos de la tomografía de la antena del átomo sobre Gene/L. Azul. En Proc. 37.o Conferencia Internacional sobre el Procesamiento En Paralelo (ICPP), 338-345, (2008)