Tomographie de Sonde d'Atome : Voyant des Millions d'Atomes….dans 3D

Introduction

Dans le monde de la microscopie et de la microanalyse des nanostructures semi-conducteurs, un atome ou une molécule unique définit l'échelle éventuelle de longueur. Le défi que nous relevons est représentation par atome unique et pouvant recenser sa chimie ; et c'a été la force d'entraînement pour le développement de beaucoup de techniques de microscopie et de microanalyse (le Schéma 1). Quelques bons exemples de ceci, particulièrement en science des matériaux, comprennent la microscopie de haute résolution de perçage d'un tunnel de microscopie électronique et de lecture de boîte de vitesses (et sa microscopie atomique induite de force).

Le Schéma 1. Une comparaison quantitative de sensibilité et de résolution spatiale chimiques parmi un grand choix de techniques micro-analytiques. L'APPARTEMENT excelle également dans sa capacité de capturer différentes modalités d'information chimique et structurelle.

Au Cours des trente dernières années, il y a eu un avancement régulier dans le développement de la microscopie électronique de boîte de vitesses en exploitant entièrement la physique de l'optique électronique s'échelonnant de ramener les aberrations associées les objectifs aux aberrations associées avec la sonde électronique elle-même. En Raison de ces améliorations, nous pouvons maintenant réaliser la définition de sous-angström dans la représentation atomique d'échelle de la structure interne des solides.

De Même, la microscopie de balayage de sonde (ou « près des techniques de field où la sonde est proche du spécimen) peut fournir des images atomiques d'échelle de la surface d'un solide. La Tomographie de Sonde d'Atome (APT) représente un outil révolutionnaire de caractérisation pour les matériaux qui peuvent différents atomes d'image dans trois cotes, un avancement important au-dessus des images bidimensionnelles d'autres techniques de microscopie^1-8.

En fait l'APPARTEMENT est également un outil d'analyse chimique qui nous permet de trouver l'identité chimique de chaque atome. L'unicité de l'APPARTEMENT est encore améliorée par le fait qu'on peut des centaines d'image de millions d'atomes, et pas simplement quelques dix ou tout au plus quelques centx environ atomes dans STM ou TEM (le Schéma 2)

Le Schéma 2. image d'APPARTEMENT de Sc groupant (atomes rouges) dans un alliage en aluminium (d'atomes bleus)

Principes de la Tomographie de Sonde d'Atome

L'APPARTEMENT a ses origines dans le microscope de zone-ion (FIM), wherethe les atomes qu'extérieurs sur un pointeau tranchant comme le spécimen (le radius de l'extrémité de l'échantillon est moins de 50 nanomètre) sont imagés par les atomes de gaz ionisés par zone projetés sur un écran de représentation. La FIM est un microscope de projection lensless de remarque qui résout différents atomes sur la surface du pointeau comme le spécimen à avec million de fois.

Avec l'intégration d'un spectromètre de masse dans le système, la FIM s'est transformée en ce qui se nomme maintenant génériquement en tant que tomographie de sonde d'atome (APT), qui produit des images compositionnelles à trois dimensions à l'échelle atomique avec la sensibilité analytique très élevée (10 parts atomiques selon million). Elle comporte le démontage réglé des atomes de la surface d'un spécimen par la palpitation d'évaporation ou de laser de zone, et puis séquentiellement la représentation et les analysant d'un spectromètre de masse (TOF) de temps-de-vol.

Les ions extraits sont projetés sur un détecteur position-sensible pour enregistrer leur emplacement. les mesures de Temps-de-Vol sur les ions fournissent leur identité chimique comme taux de masse-à-charge de l'ion (le Schéma 3). Tandis Que la FIM était initialement développée par Erwin W. Müller plus d'il y a un demi-siècle et le microscope de sonde d'atome lui-même remonte à CA 1968, c'est seulement assez récent que les instruments hautement sophistiqués et fiables sont devenus disponibles dans le commerce. La commercialisation récente des accroissements plus ultérieurs d'électrode de sonde (LEAP) locale d'atome le nombre maximum d'atomes des centaines d'une analyse de millions d'atomes et ramène la durée de l'analyse aux minutes plutôt que des jours^4-6.

Le Schéma 3. image de FIM de laser a palpité extrémité de W montrant le faible densité des atomes près des orientations cristallographiques importantes

Applications

Beaucoup d'excellentes synthèses de l'évolution et des applications historiques de cette technique existent^1-8. Une Fois combiné avec la définition de profondeur d'une une couche atomique inter-planaire pour la profondeur profilant, un APPARTEMENT fournit la résolution spatiale la plus élevée de n'importe quelle technique de microanalyse. Cette capacité fournit une opportunité unique d'étudier expérimental avec la définition atomique, le groupement de produit chimique et les distributions à trois dimensions des atomes. La capacité de résoudre un tel petit groupe structurel et chimique avec la définition atomique d'échelle permet à on de cheminer des variations spatiales de chimie (le Schéma 4)

Le Schéma 4. Dans le chiffre (a) on peut observer les plans de réseau en cuivre fonctionnant verticalement. La lordose apparente de ces plans est due aux déformations instrumentales. Chaque point est associé avec un atome. Le même spécimen dans le chiffre b affichant aux 3 la distribution dimensionnelle du cuivre (orange), de l'oxygène (rouge) et des ions (bleus) de CuO associés avec ultra un sur couche mince de l'oxyde sur la surface du cuivre. La Figure (c) affiche un profil compositionnel avec la définition de sous-nanomètre.

L'incidence extraordinaire de l'APPARTEMENT comme outil dans le nanoscience est par conséquent régie par sa capacité collective :

• image au niveau atomique,
• analysez la chimie au niveau atomique et
• recueillez ces deux classes d'information dans trois cotes et avec la sélectivité spatiale dans le spécimen avec des centaines de millions d'atomes

Avec ces capacités, l'APPARTEMENT rapidement est appliqué pour adresser une grande sélection de problèmes de la science de nanoscale tels que le mappage de dopant en semi-conducteurs et corps dissous groupant en alliages complexes. De Telles études principales influencent une grande sélection de technologies de bureau d'études comprenant des développements en matériaux électroniques tels que le photovoltaics et le stockage de données. La capacité de résoudre dans l'espace le produit chimique groupant en alliages complexes a des ramifications importantes dans le design du prochain rétablissement des matériaux de température élevée tels que les matériaux aérospatiaux.

Le Contrat À Terme pour l'APPARTEMENT

Le contrat à terme de l'APPARTEMENT dans le domaine du nanoscience et de la technologie est les deux passionnant ainsi que provocant. Deux telles applications sont dans le domaine des études in-situ pour étudier des réactions de solide-gaz et l'autre est l'étude des matériaux biologiques

Les Chercheurs par exemple ont développé une cavité de réaction de gaz pour une sonde d'atome pour étudier des réactions catalytiques. Comme remarquable par Cerezo et.al., la forme de pointeau du spécimen est d'avantage dans l'étude des réactions sur la surface des matériaux de catalyseur. Dans ce cas, l'apex du spécimen pointeau pointeau est un bon analogue pour la moitié d'un catalyseur/nanoparticle, où des plans en cristal multiples sont exposés dans très la grande proximité à une un un autre. Ceci permet pour étudier des effets dus à l'effet entre les régions de la cristallographie différente, à la différence de dans la majorité d'expériences extérieures de la science qui utilisent les spécimens monocristallins plats. Ceci est parfois mentionné pendant que les « matériaux entaillent » en science extérieure. L'Interface d'une cavité de réaction de gaz avec l'APPARTEMENT peut aider à aborder les délivrances telles que lesquelles les sites atomiques sont les plus réactifs, et comment la gamme de produits de telles surfaces de catalyseur sont face aux compositions changeantes les débits des molécules réactives de gaz

L'étude des échantillons biologiques par l'intermédiaire de l'APPARTEMENT offre le potentiel passionnant pour un élan neuf à la biologie structurelle. Comme remarquable par Greene et.al. , ¹⁰pour analyser effectivement les spécimens biologiques et organiques utilisant l'APPARTEMENT, plusieurs paramètre-tels expérimentaux comme choix de substrat, la force de champ électrique, la température, et le pouls de laser caractéristique-doivent être optimisés pour fournir les éclats de masse qui peuvent être repeatably évaporés et sûrement recensés du mouvement propre organique typique.

En Conclusion, il devrait identifier qu'une sonde d'atome est dans une certaine mesure le « télescope de Hubble » pour des matériaux, de la capacité sans précédent de trouver des nombres massifs des atomes extrêmement à un débit rapide. Cette capacité expérimentale représente consécutivement un défi de calcul de traiter le déluge de données accordé par des quantités d'informations massives qui doit être traité pour mesurer l'image et la chimie¹¹.

Références

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3. M.K. Miller et E.A. Kenik, Tomographie de Sonde d'Atome : Une Technique pour la Caractérisation de Nanoscale, Microsc. Microanal., 10:336-341, (2004)
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5. T.F. Kelly et M.K. Miller. Article synoptique Invité : tomographie de sonde d'atome. Examen des Instruments Scientifiques, 78(03) : 1101 (2007)
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7. M.K. Miller. tomographie d'Atome-Sonde. Éditeurs d'Universitaire/Soufflante de Kluwer, New York, (2000).
8. M.K. Miller, A. Cerezo, M.G. Heatherington, et G.D.W. Smith, microscopie de zone-ion d'Atome-Sonde, Presse de Clarendon, Oxford, (1996)
9. P.A.J. Bagot, T Visart de Bocarme, A. Cerezo et G.D.W. Étude de sonde d'atome de Smith GDW 3D de l'adsorption et de la réaction de gaz sur des surfaces de catalyseur d'alliage : I la Science Extérieure 600 3028-3035 d'Instrumentation (2006)
10. Marquez E. Greene, Ty J. Prosa, John A. Panitz, David J. Larson, et Thomas F. Kelly Development de la Tomographie de Sonde d'Atome pour les Matériaux Biologiques ; Microsc Microanal 15 (Supplément 2), (2009) 582-583
11. S. Visa, M. Moody, A. Ceguerra, S. Ringer, K. Rajan, et S. Aluru. Cheminement de l'évolution nanostructural en alliages : Analyse De Grande Puissance des données de tomographie de sonde d'atome sur Gene/L. Bleu. Dans Proc. trente-septième Conférence Internationale sur le Traitement En Simultanéité (ICPP), 338-345, (2008)