Tomografia da Ponta De Prova do Átomo: Vendo Milhões de Átomos….em 3D

Introdução

No mundo da microscopia e da microanálise de nanostructures de circuito integrado, um única átomo ou molécula definem a escala final do comprimento. O desafio que nós enfrentamos é imagem lactente um o único átomo e podendo identificar sua química; e esta foi a força motriz para a revelação de muitas técnicas da microscopia e da microanálise (Figura 1). Alguns bons exemplos deste, especialmente na ciência de materiais, incluem a microscopia de alta resolução da escavação de um túnel da microscopia e da exploração de elétron de transmissão (e sua microscopia atômica derivada da força).

Figura 1. Uma comparação quantitativa da sensibilidade química e da definição espacial entre uma variedade de técnicas microanalíticas. APTO igualmente prima em sua capacidade para capturar modalidades diferentes da informação química e estrutural.

Durante os últimos trinta anos, houve um avanço constante na revelação da microscopia de elétron de transmissão inteiramente explorando a física do sistema ótico de elétron que varia de reduzir as aberrações associou as lentes às aberrações associadas com a ponta de prova de elétron própria. Devido a estas melhorias, nós podemos agora conseguir a definição do secundário-ångström na imagem lactente atômica da escala da estrutura interna dos sólidos.

Similarmente, a microscopia de varredura da ponta de prova (ou “perto das técnicas do field onde a ponta de prova é próxima ao espécime) pode fornecer imagens atômicas da escala da superfície de um sólido. O Tomografia da Ponta De Prova do Átomo (APT) representa uma ferramenta revolucionária para os materiais que podem átomos individuais da imagem em três dimensões, um avanço principal da caracterização sobre as imagens bidimensionais de outras técnicas da microscopia^1-8.

De facto APTO é igualmente uma ferramenta de análise química que permita que nós detectem a identidade química de cada átomo. A unicidade de APTO é aumentada mais pelo facto de que um pode centenas da imagem de milhões de átomos, e não apenas alguns dez ou no máximo alguns cem ou assim átomos em STM ou em TEM (Figura 2)

Figura 2. imagem APTO do Sc que aglomera-se (átomos vermelhos) (em uma liga de alumínio dos átomos azuis)

Princípios de Tomografia da Ponta De Prova do Átomo

O APTO tem suas origens no microscópio do campo-íon (FIM), wherethe que os átomos de superfície em uma agulha afiada como o espécime (o raio da ponta da amostra é menos de 50 nanômetro) são imaged pelos átomos ionizados campo do gás projetados em uma tela da imagem lactente. A FIM é um microscópio de projecção lensless do ponto que resolva átomos individuais na superfície da agulha como o espécime sobre em milhão vezes.

Com a integração de um espectrómetro em massa no sistema, a FIM evoluiu no que é denominado agora genèrica como o tomografia da ponta de prova do átomo (APT), que produz imagens compositivas 3-D na escala atômica com sensibilidade analítica muito alta (10 porções atômicas por milhão). Envolve a remoção controlada dos átomos da superfície de um espécime pela pulsação da evaporação ou do laser do campo, e então sequencialmente a imagem lactente e analisando os com um espectrómetro (TOF) em massa do tempo--vôo.

Os íons extraídos são projectados em um detector posição-sensível para gravar seu lugar. as medidas do Tempo--Vôo nos íons fornecem sua identidade química como uma relação da massa-à-carga do íon (Figura 3). Quando a FIM estêve desenvolvida originalmente por Erwin W. Müller sobre há um meio século atraz e o microscópio próprio da ponta de prova do átomo data de CA 1968, é somente razoavelmente recentemente que os instrumentos altamente sofisticados e seguros se tornaram disponíveis no comércio. A comercialização recente dos aumentos mais ulteriores da ponta de prova local (LEAP) do átomo do eléctrodo o número máximo de átomos em centenas de uma análise de milhões de átomos e reduz o tempo de análise às actas um pouco do que dias^4-6.

A Figura 3. imagem da FIM do laser pulsou ponta de W que mostra a baixa densidade dos átomos perto das orientações crystallographic principais

Aplicações

Muitas vistas gerais excelentes da evolução e das aplicações históricas desta técnica existem^1-8. Quando combinado com a definição da profundidade de uma camada atômica inter-planar para a profundidade que perfila, um APTO fornece a definição espacial a mais alta de toda a técnica da microanálise. Esta capacidade fornece uma oportunidade original de estudar experimental com definição atômica, aglomeração do produto químico e distribuições 3-D dos átomos. A capacidade para resolver tal detalhe estrutural e químico com definição atômica da escala permite um seguir variações espaciais na química (Figura 4)

Figura 4. Na figura (a) um pode observar os planos de estrutura no cobre que é executado verticalmente. A curvatura aparente destes planos é devido às distorções instrumentais. Cada ponto é associado com o um átomo. O mesmo espécime na figura b que mostra aos 3 a distribuição dimensional do cobre (alaranjado), do oxigênio (vermelho) e dos íons (azuis) de CuO associados com uma camada ultra fina de óxido na superfície do cobre. A Figura (c) mostra um perfil compositivo com definição de secundário-nanômetro.

O impacto extraordinário do APTO como uma ferramenta no nanoscience daqui é governado por sua capacidade colectiva:

• imagem a nível atômico,
• analise a química a nível atômico e
• recolha ambas estas classes de informação em três dimensões e com selectividade espacial no espécime com centenas de milhões de átomos

Com estas capacidades, APTOS está sendo aplicado ràpida para endereçar um vasto leque de problemas da ciência do nanoscale tais como o entorpecente que traça nos semicondutores e no solute que aglomeram-se em ligas complexas. Tais estudos fundamentais estão impactando um vasto leque das tecnologias da engenharia que incluem revelações em materiais eletrônicos tais como o armazenamento de dados do photovoltaics e. A capacidade para resolver espacial o produto químico que aglomera-se em ligas complexas tem ramificação importantes no projecto da próxima geração de materiais de alta temperatura tais como os materiais aeroespaciais.

O Futuro para APTO

O futuro de APTO no campo do nanoscience e da tecnologia é emocionante assim como desafiante. Duas tais aplicações estão no campo dos estudos in situ para estudar reacções do contínuo-gás e o outro é o estudo de materiais biológicos

Os Pesquisadores por exemplo desenvolveram uma câmara da reacção do gás para uma ponta de prova do átomo para estudar reacções catalíticas. Como notável por Cerezo et.al., a forma da agulha do espécime é da vantagem no estudo das reacções na superfície de materiais do catalizador. Neste caso, o vértice do espécime agulha-dado forma é um bom analog para a metade de um catalizador/nanoparticle, onde os planos de cristal múltiplos sejam expor muito na grande proximidade a uma outra. Isto torna possível estudar os efeitos devido à interacção entre regiões de cristalografia diferente, ao contrário na maioria das experiências de superfície da ciência que usam espécimes lisos do único-cristal. Isto está referido às vezes enquanto os “materiais abrem” na ciência de superfície. Conectar uma câmara da reacção do gás com o APTO pode ajudar a endereçar as edições tais como que os locais atômicos são os mais reactivos, e como o estábulo tais superfícies do catalizador é face aos caudais em mudança das composições de moléculas reactivas do gás

O estudo de amostras biológicas através das ofertas APTOS o potencial emocionante para uma aproximação nova à biologia estrutural. Como notável por Greene et.al. , ¹⁰para analisar eficazmente os espécimes biológicos e orgânicos que usam APTO, diversos parâmetro-tais experimentais como a escolha da carcaça, a força de campo elétrico, a temperatura, e o pulso do laser característica-devem ser aperfeiçoados para render os fragmentos em massa que podem repeatably ser evaporados e confiantemente identificado do fundo orgânico típico.

Finalmente, deve-se reconhecer que uma ponta de prova do átomo é de um certo modo de “o telescópio Hubble” para materiais, com a capacidade inaudita detectar números maciços de átomos em uma taxa extremamente rápida. Esta capacidade experimental cria por sua vez um desafio computacional de tratar o dilúvio dos dados tido recursos para por quantidades maciças de informação que precisa de ser processada para determinar a imagem e a química¹¹.

Referências

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7. M.K. Miller. tomografia da Átomo-Ponta de prova. Kluwer Académico/Editores do Forro, New York, (2000).
8. M.K. Miller, A. Cerezo, M.G. Heatherington, e G.D.W. Smith, microscopia do campo-íon da Átomo-Ponta de prova, Imprensa de Clarendon, Oxford, (1996)
9. P.A.J. Bagot, T Visart de Bocarme, A. Cerezo e G.D.W. Estudo da ponta de prova do átomo de Smith GDW 3D da adsorção e da reacção de gás em superfícies do catalizador da liga: Mim Ciência De Superfície 600 3028-3035 da Instrumentação (2006)
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11. S. Selo, M. Temperamental, A. Ceguerra, S. Campainha, K. Rajan, e S. Aluru. Seguindo a evolução nanostructural nas ligas: Análise Em Grande Escala de dados do tomografia da ponta de prova do átomo em Gene/L. Azul. Em Proc. 37th Conferência Internacional sobre o Processamento Paralelo (ICPP), 338-345, (2008)