Pencirian Resolusi Atom Menggunakan JEOL JEM-ARM200CF yang Dibetulkan Aberasi di Universiti Illinois – Chicago
JEOLnews Jilid 49, Nombor 1, 2014
Robert F Klie, Ahmet Gulec, Arijita Mukherjee, Tadas Paulauskas,
Qi ao Qi ao, Xue Rui , Runzhe Tao, Canhui Wang , Tad Dani el ,
Patrick J. Phillips, Alan W. Nicholls
Universiti Illinois di Chicago
Mikroskop elektron penghantaran pengimbasan yang diperbetulkan penyimpangan (STEM) moden menyediakan pelbagai teknik pencirian yang boleh digunakan merentasi julat luas skala panjang dan suhu. Di Universiti Illinois di Chicago, pelepasan medan sejuk yang diperbetulkan penyimpangan JEOL JEM-ARM200CF mampu pengimejan resolusi atom, kehilangan tenaga elektron (EEL) serta spektroskopi sinar-X (XEDS) penyebaran tenaga dalam julat suhu antara 80 – 1,300 K. Keupayaan instrumen ini akan ditunjukkan menggunakan beberapa kajian yang memfokuskan pada kedua-dua sifat struktur dan kimia bahan termasuk NbH, SrTiO3, CdTe dan protein feritin. Tema utama kajian ini ialah serba boleh mikroskop, yang direalisasikan melalui keupayaan untuk melakukan pencirian kimia skala atom sambil mengekalkan resolusi pengimejan spatial yang tinggi. Kepentingan khusus kepada banyak kajian ialah visualisasi unsur cahaya, seperti N, O atau H, menggunakan pengimejan medan gelap anulus sudut tinggi (HAADF) dan medan terang anulus (ABF) serentak. Keupayaan insitu novel akan ditunjukkan menggunakan sel cecair graphene. Akhir sekali, kami akan menunjukkan kesan pengesan hanyut silikon baharu, Oxford X-MaxN 100TLE pada melaksanakan pemetaan XEDS yang diselesaikan lajur atom pada skala panjang dan resolusi tenaga yang berbeza-beza.
Pengenalan
Pemahaman yang lebih baik tentang mekanisme yang mempengaruhi sifat bahan pada peringkat atom adalah penting untuk membangunkan peranti nano berfungsi baharu untuk aplikasi elektronik, tenaga dan biologi, adalah penting untuk kita memperoleh pemahaman. Lebih-lebih lagi daripada pada tahap makroskopik, apabila komponen telah dikecilkan untuk digunakan dalam peranti nano, permukaan, antara muka dan kecacatan individu menguasai sifatnya dengan mengubah tingkah laku struktur, komposisi dan ikatan bahan. Jika peranti yang berfungsi dan boleh dipercayai berjaya dibuat, adalah penting untuk kita memahami perhubungan struktur-sifat bagi kecacatan, antara muka dan permukaan ini.
Sepanjang dekad yang lalu, mikroskop elektron penghantaran analitik (TEM) dan pengimbasan TEM (STEM) telah muncul sebagai alat utama untuk meneroka hubungan struktur-sifat bahan nano novel [1-15], khususnya struktur atom dan elektronik kecacatan, antara muka, atau zarah nano [16-20] . Mikroskop elektron penghantaran pengimbasan (STEM) yang dipasang dengan pembetul penyimpangan probeside, seperti JEOL JEM- 2200FS atau JEOL JEM-ARM200F [21-24] menghasilkan resolusi spatial yang tiada tandingan bagi kedua-dua spesies kimia berat dan ringan. Dengan resolusi spatial bagi pengimejan kontras fasa resolusi tinggi yang diperbetulkan penyimpangan (HRTEM) dan medan gelap anulus sudut tinggi, pengimejan HAADF, (atau kontras Z) dalam STEM yang diperbetulkan penyimpangan kini mencapai had asas jejari Bohr, a0~ 50 petang, tumpuan beralih kepada meningkatkan resolusi kimia dan menggambarkan semua spesies atom juzuk, sambil mengekalkan resolusi spatial. Untuk itu, spektroskopi kehilangan tenaga elektron (EELS) dan spektroskopi sinar-X penyebaran tenaga (XEDS) sedang ditolak ke titik di mana peta kimia yang diselesaikan secara atom boleh dilakukan dengan kedua-dua teknik [25, 26]. Pelaksanaan pengesan drift silikon (SDD) dengan kawasan pengesan aktif yang lebih besar dalam XEDS telah banyak membantu kemajuan ini, yang membawa kepada demonstrasi kepekaan atom tunggal [27]. Banyak sistem bahan digunakan dalam peranti di bawah keadaan (iaitu suhu, tekanan atau medan) yang jauh berbeza daripada yang terdapat di dalam lajur mikroskop elektron. Dalam mikroskop elektron penghantaran resolusi atom konvensional, kajian resolusi atom sebelum ini terhad kepada suhu ambien dan di bawah vakum tinggi (PO2= 10-5 Pa) disebabkan oleh ketidakupayaan untuk memasukkan pemegang in-situ ke dalam celah kecil tiang lensa objektif resolusi ultra tinggi. Sepanjang dekad yang lalu, bidang ini telah maju dengan ketara, dan keupayaan in-situ kini tersedia untuk mengkaji kelakuan dinamik bahan dalam persekitaran selain daripada vakum tinggi lajur TEM. Reka bentuk peringkat sampel novel telah membolehkan pemanasan in-situ sehingga 1,300 K dengan resolusi atom, gas in-situ dan eksperimen cecair dengan resolusi meter nano, serta pengimejan diselesaikan masa dengan resolusi lebih baik daripada nanosaat. Makalah ini akan menunjukkan keupayaan JEOL JEM-ARM200CF di University of Illinois di Chicago, STEM yang diperbetulkan penyimpangan probe yang dilengkapi dengan sumber elektron pelepasan medan sejuk, spektrometer EEL pasca lajur dan Oxford X-MaxN 100TLE baharu Pengesan SDD-XEDS. Kami akan menunjukkan bahawa pengimejan resolusi atom unsur cahaya, termasuk N, O dan H adalah mungkin menggunakan pengimejan ABF, manakala sumber elektron pelepasan medan sejuk membolehkan EELS dengan resolusi tenaga lebih baik daripada 400 meV. Di samping itu, kami akan menyerlahkan pendekatan sel cecair graphene yang baru dibangunkan untuk merangkum sampel biologi, seperti protein feritin dalam cecair antara dua lapisan tunggal graphene.
Eksperimen
JEOL JEM-ARM200CF dipasang di Pusat Sumber Penyelidikan (RRC) di Universiti Illinois di Chicago (Rajah 1) dilengkapi dengan pistol pelepasan medan sejuk, 5 pengesan anulus, spektrometer EELS Gatan Enf ina dan pengesan Oxford X-Ma xN 10 0TLE SDD EDS baharu dan telah dipasang di makmal kami pada akhir 2011. Resolusi spatial yang kini boleh dicapai secara rutin menggunakan JEOL JEM-ARM200CF melebihi 70 malam pada tenaga primer 200 kV (lihat Rajah 2(a)) dan 100 malam pada tenaga primer 80 kV. Resolusi tenaga spektrum EEL pada sebarang tenaga antara 80 dan 200 kV ialah 350 meV (lihat Rajah 2(b)). Kestabilan instrumen diukur menggunakan imej HAADF pendedahan lama tanpa pembetulan dr if t, dan ditentukan lebih baik daripada 150 pm/min. Sebagai tambahan kepada pemegang kecondongan berganda, kami juga menerima penghantaran peringkat penyejukan cecair Gatan doubletilt He, peringkat pemanasan kecondongan berganda Protochips Aduro, peringkat tomografi Fischione, serta peringkat Nanofactory STM-TEM dan sel aliran cecair Protochips Poseidon. . Di samping itu, kami masih mempunyai akses kepada pemanasan kecondongan berganda Gatan dan LN kecondongan berganda2 peringkat penyejukan, yang dibeli pada tahun 1998 untuk digunakan dalam UIC JEM-2010F.
Dalam kertas kerja ini, kami akan menunjukkan hasil daripada beberapa peringkat in-situ ini, termasuk Gatan LN2 peringkat penyejukan dan sel cecair graphene buatan sendiri. Keputusan ini bertujuan untuk menunjukkan pelbagai jenis eksperimen yang boleh dijalankan setiap hari dalam ARM200CF. Pada ketika ini, adalah penting untuk ambil perhatian bahawa penukaran antara mod TEM dan STEM boleh dilakukan tanpa mengganggu penjajaran atau kestabilan instrumen dengan ketara. Sebagai contoh, apabila beralih daripada mod TEM kepada STEM, adalah mungkin untuk mencapai resolusi atom hampir serta-merta selepas koma dan astigmatisme telah dibetulkan secara manual. Pada resolusi pengimejan tertinggi, kami mendapati bahawa dalam tempoh 60-120 minit pertama selepas memasuki mod STEM, beberapa pelarasan fokus dan stigmator diperlukan. Setelah ARM200CF berada dalam mod STEM selama dua jam, instrumen itu benar-benar stabil.
UIC JEOL JEM-ARM200CF terletak dalam kemudahan pengguna akses terbuka, yang membolehkan pengguna yang layak menggunakan instrumen 24 jam, 7 hari seminggu berdasarkan caj pengguna setiap jam [28]. Oleh itu, adalah penting bahawa mana-mana persediaan percubaan yang diperlukan oleh pengguna tidak menjejaskan prestasi instrumentasi untuk pengguna berikutnya. Setakat ini, kami tidak mengalami apa-apa pengaruh ketara mana-mana eksperimen in-situ atau pengukuran voltan rendah pada lajur vakum atau prestasi kestabilan tenaga selama lebih daripada beberapa jam selepas selesai eksperimen.
Rajah 1 JEOL JEM-ARM200CF di Universiti Illinois di Chicago.
Rajah 2 a) Imej HAADF pada 200 kV Si (110) dengan transformasi Fourier ditunjukkan sebagai sisipan. b) Puncak kerugian sifar dengan lebar penuh yang ditunjukkan pada separuh maksimum.
Keputusan dan perbincangan
Di sini, kita akan membincangkan keputusan daripada beberapa eksperimen yang dijalankan menggunakan JEOL ARM200CF di Universiti Illinois di Chicago. Bahan-bahan yang dicirikan termasuk SrTiO3 filem nipis pada GaAs, ß-NbH, polihabluran CdTe dan protein feritin dalam sel cecair graphene.
Pencirian voltan rendah SrTiO3/ Antara muka GaAs
Sejak beberapa tahun kebelakangan ini, filem oksida logam ultranipis pada permukaan semikonduktor kutub telah menerima banyak pada ion khemah kerana berlakunya hubungan yang betul antara muka baru, termasuk ferroelektrik, superkonduktiviti dan kehadiran gas elektron 2 dimensi antara muka [29 - 34] . Pertumbuhan pertama SrTiO yang berjaya3 filem nipis pada Si telah dilaporkan lebih daripada dua dekad yang lalu, dan pelbagai teknik telah digunakan untuk memasang filem oksida kristal lapisan-lapisan dan mengelakkan pembentukan lapisan amorf pada antara muka [35, 36].
SrTiO3 Antara muka /GaAs telah dikaji secara eksperimen dan teori dengan pelbagai teknik untuk membangunkan pemahaman asas tentang hubungan sifat struktur dan telah dilaporkan bahawa SrTiO3 filem lebih suka SrO ditamatkan pada antara muka, tanpa mengira keadaan pertumbuhan, dan submonolayer Ti, selepas ini dirujuk sebagai pra-lapisan Ti, antara oksida dan semikonduktor boleh melepaskan tahap Fermi menyemat selepas pemendapan filem nipis.[ 37-39] Walau bagaimanapun, disebabkan oleh kekurangan oksigen filem itu, ia tidak mungkin untuk melakukan spektroskopi kehilangan tenaga elektron resolusi atom (EELS) pada SrTiO yang sangat sensitif terhadap rasuk.3/ Antara muka GaAs [40].
Menggunakan JEOL ARM200CF di UIC, kami menjalankan kajian terperinci tentang struktur atom dan elektronik SrTiO3Antara muka /GaAs dengan dan tanpa pra-lapisan Ti menggunakan pengimejan HAADF dan EELS pada tenaga elektron primer 80 kV [41] . Rajah 3 menunjukkan imej kontras Z resolusi atom bagi SrTiO nipis 4 lapisan tunggal3 filem pada GaAs (001), di mana epitaksi kelihatan dengan SrTiO3(001) || GaAs (001) dan SrTiO3[110] || GaAs [100] . Antara muka antara SrTiO3 filem dan timah GaAssuppor Rajah 3 kelihatan tajam tanpa resapan antara muka yang jelas. Selain itu, imej menunjukkan bahawa filem oksida bermula dengan lapisan SrO pada antara muka GaAs yang ditamatkan As, tanpa mengira fakta bahawa 0.5 ML pra-lapisan Ti telah didepositkan pada permukaan GaAs sebelum SrTiO.3 pertumbuhan bagi sampel yang ditunjukkan dalam Rajah 3(a)). Berbanding dengan eksperimen yang dijalankan pada tenaga elektron primer 200 kV, SrTiO3Antara muka /GaAs kini cukup stabil untuk menahan pengimejan resolusi atom dan spektroskopi untuk jangka masa yang panjang. Malah beberapa jam analisis pada kawasan tertentu sampel setakat ini tidak menunjukkan sebarang tanda kerosakan rasuk, baik dalam pengimejan kontras Z mahupun dalam spektroskopi.
Tepi Ti L- dan O K yang diperoleh ditunjukkan dalam Rajah 4 and Rajah 5, masing-masing diperoleh menggunakan separuh sudut penumpuan 30 mrad, separuh sudut koleksi 35 mrad, dengan penyebaran 0.1 eV/pxl dan masa tinggal 3s. Spektrum teratas dalam Rajah 4 dan Rajah 5 diambil daripada SrTiO3 spesimen pukal sekali gus menyediakan struktur halus Ti4+ sebagai rujukan. Dalam Rajah 4, pembelahan medan kristal bagi tepi Ti L3 dan L2 boleh diselesaikan dengan jelas dalam semua spektrum yang diambil daripada SrTiO3 filem nipis, yang menunjukkan bahawa valens Ti adalah hampir 4+ sepanjang filem dalam kedua-dua filem dengan dan tanpa prelayer Ti.[42] Untuk menilai lebih lanjut keadaan valensi Ti, dan dengan itu stoikiometri oksigen filem, skala tenaga telah ditentukur menggunakan onset tepi O K, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Kini dapat dilihat bahawa dalam filem tanpa pra-lapisan Ti, tepi-L Ti untuk setiap lokasi dalam filem itu beralih sedikit ke arah tenaga yang lebih rendah, sekali lagi menunjukkan sedikit penurunan dalam Ti. Lebih khusus lagi, kedua-dua L3 dan L2 tepi beralih kepada tenaga yang lebih rendah apabila probe elektron menghampiri SrTiO3Antara muka /GaAs, menunjukkan penurunan valens Ti daripada 4+ kepada keadaan campuran 3+ dan 4+ [42] . Fenomena sedemikian boleh disebabkan oleh kekosongan oksigen, atau kerana keadaan ikatan Ti-O pada TiO2 lajur dalam filem nipis ditukar kepada Ti-As pada permukaan substrat. Di samping itu, adalah menarik untuk diperhatikan di sini bahawa isyarat Ti dapat dilihat sekurang-kurangnya 2 lapisan ke dalam sokongan GaAs, menunjukkan bahawa beberapa Ti telah meresap ke dalam sokongan GaAs semasa sintesis filem. Dalam Rajah 5, tepi O K yang diperoleh dipasang pada 5 merekath jiran terdekat dan dibandingkan dengan spektrum rujukan yang diambil daripada pukal SrTiO3. Spektra cor berwarna bertindak balas kepada segi empat tepat berwarna dalam Rajah 3. Ia serta-merta ketara bahawa struktur halus tepi-O O dalam SrTiO3 filem nipis adalah berbeza dengan ketara daripada SrTiO pukal3, terutamanya untuk filem yang ditanam tanpa prelayer Ti. Lebih khusus lagi, pra-puncak, yang berskala kuat, dengan kehadiran kekosongan oksigen, ditindas dalam spektrum yang diambil dari filem [43, 44], menunjukkan kehadiran kekosongan oksigen. Tambahan pula, berhampiran SrTiO3Antara muka /GaAs, struktur halus O K-edge mempamerkan beberapa puncak yang tidak ditemui dalam SrTiO pukal3, mahupun dalam filem SrTiO3 spektrum. Puncak tambahan ini menunjukkan ikatan oksigen dengan arsenik pada permukaan GaAs semasa langkah awal sintesis filem nipis. Akhirnya, keamatan O K-edge bersepadu hilang sepenuhnya dalam sokongan GaAs, walaupun di lokasi di mana isyarat Ti ditemui. Ini seterusnya menunjukkan bahawa hanya Ti meresap ke dalam sokongan, manakala oksigen kekal dalam SrTiO3 filem dan pada permukaan GaAs.
Kajian pengimejan dan spektroskopi kV rendah kami, oleh itu, menunjukkan, walaupun struktur atom antara muka tidak mendedahkan sebarang bukti prelayer Ti di SrTiO3 antara muka, struktur elektronik filem kelihatan berbeza dengan ketara. Filem yang ditanam tanpa pra-lapisan Ti nampaknya lebih kekurangan oksigen, dan mempamerkan ion interaksi yang kuat antara sokongan GaAs dan oksigen antara muka, yang berpotensi membentuk As2O3. Pemendapan pra-lapisan Ti kelihatan untuk mengurangkan pengoksidaan substrat dan seterusnya mengangkat penyematan peringkat Fermi [41].
Rajah 3 Imej HAADF peleraian atom pada 80 kV SrTiO3 /GaAs a) dengan dan b) tanpa pra-lapisan Ti.
Segi empat tepat berwarna menyerlahkan kawasan di mana spektrum EEL diperoleh. Model atom ditindih pada imej dan antara muka ditunjukkan oleh garis putus-putus.
Rajah 4 EELS pada 80 kV daripada Ti L-edges selepas penolakan latar belakang untuk sampel a) dengan dan b) tanpa pra-lapisan Ti.
Rajah 5 EELS pada 80 kV daripada Ti L-edges selepas penolakan latar belakang untuk sampel a) dengan dan b) tanpa pra-lapisan Ti.
Spektrum EELS bagi O K-edges untuk sampel a) dengan dan b) tanpa pra-lapisan Ti. Kawasan berlorek menunjukkan spektrum yang diambil daripada SrTiO3 filem, manakala spektrum teratas diambil daripada SrTiO pukal3 sebagai rujukan.
Pengimejan langsung hidrogen dalam ß-NbH
Niobium, a 4d logam ion trans, telah menemui banyak ion aplikasi termasuk penyimpanan hidrogen, pemangkinan heterogen, salutan dielektrik, dan peranti superkonduktor, seperti rongga frekuensi radio superkonduktor (SRF) [45]. Dalam pemecut generasi seterusnya, prestasi rongga SRF pada sederhana (iaitu 16-19 MVm-1) dan elektrik tinggi (iaitu >35 MVm-1) kecerunan medan adalah kritikal [46]. Namun begitu, walaupun selepas beberapa dekad penyelidikan, pemahaman yang kukuh tentang kecacatan mikrostruktur yang mengehadkan prestasi medan sederhana dan tinggi masih hilang. Walau bagaimanapun, apa yang kelihatan jelas ialah Niobium hidrida, jika ada, boleh menjadi penyumbang utama kepada darjat faktor qua l it y, Q, kerana mendakan hidrida hanya boleh menjadi superkonduktor melalui kesan kedekatan, dan peralihan pramatangnya kepada keadaan biasa akan membawa kepada kerugian yang kuat [47, 48].
Di sini, kami membentangkan kajian resolusi atom mengenai pembentukan mendakan ß-NbH pada suhu bilik dalam butiran Nb berhampiran permukaan rongga. [49] Di samping itu, kami menunjukkan bahawa pengimejan resolusi atom masih boleh dilakukan di LN2 suhu, walaupun hanyut spatial mengehadkan masa tinggal bagi setiap piksel kepada sekitar 16 μs/piksel.
Rajah 6 menunjukkan sepasang imej HAADF dan ABF , diperoleh secara serentak, bagi mendakan ß-NbH dalam orientasi [110]. Walaupun imej HAADF kelihatan sangat serupa dengan Nb tulen, imej ABF mendedahkan lajur atom tambahan, yang boleh dikenal pasti sebagai lajur atom hidrogen. Sisipan dalam Rajah 6 menunjukkan struktur cadangan ß-NbH [110] serta kontras imej yang dikira menggunakan kaedah multi-slice. Kontras dalam pengiraan imej bersetuju dengan ukuran itu dalam imej ABF percubaan. Menggunakan gabungan pengimejan ABF, pembelauan elektron kawasan terpilih dan EELS, kami mengesahkan bahawa imej fasa ialah ß-NbH [110].
Menurut rajah fasa untuk Nb-hidrida, terdapat beberapa fasa lain bergantung kepada ion tikus kepekatan hidrogen tempatan dan suhu. Oleh itu, untuk memahami sepenuhnya peranan mendakan hidrida pada prestasi kecerunan medan pertengahan dan tinggi bagi rongga SRF berasaskan Nb, kaedah pengimejan yang mampu resolusi atom pada suhu rendah (cth LN2 suhu) diperlukan. Menggunakan LN senget ganda Gatan2 peringkat, kami imej Nb pukal [110] (Rajah 7(b)) dan tunjukkan bahawa mencapai resolusi atom adalah mungkin pada suhu itu. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh peningkatan getaran mekanikal akibat pendidihan nitrogen, kami terpaksa mengurangkan masa tinggal piksel kepada 16 μs / piksel dan purata ke atas beberapa imej untuk mencapai nisbah isyarat kepada bunyi yang boleh dilihat. Jika perlu, prosedur pengurangan hingar yang lebih canggih boleh digunakan jika pemerolehan berulang bagi imej masa pendedahan pendek tidak dapat dilakukan.
![Rajah 6 Imej HAADF dan ABF serentak pada 200 kV ß-NbH [110] menunjukkan dengan jelas lajur atom hidrogen dalam imej ABF.](https://www.jeol.com/solutions/applications/details/product_file/file/e49_02-fig6.jpg)
Rajah 6 Imej HAADF dan ABF serentak pada 200 kV ß-NbH [110] menunjukkan dengan jelas lajur atom hidrogen dalam imej ABF.
Rajah 7 200 kV imej ABF resolusi atom pada a) bilik dan b) suhu LN2. Kedua-dua imej menunjukkan lajur atom Nb, tetapi lajur Hidrogen tidak begitu kelihatan dalam imej suhu rendah disebabkan oleh peningkatan getaran sampel.
Analisis XEDS terhadap kecacatan dalam CdTe polihabluran
Peranti fotovoltaik berasaskan filem nipis CdTe polihabluran merupakan peneraju dalam teknologi suria filem nipis ([50], [51]). Kejayaan komersial peranti berasaskan CdTe berpunca daripada jurang jalur yang hampir ideal bagi bahan yang sangat berkesan berganding dengan spektrum cahaya matahari kita serta kemudahan pembuatan dan kos modul yang rendah. Walau bagaimanapun, untuk meningkatkan kecekapan penukaran melebihi 20%, adalah penting untuk meminimumkan kesan berbahaya dari sempadan bijian dan kecacatan kekisi dalam CdTe. Penyiasatan struktur dan kimia skala atom secara langsung adalah wajar untuk mengenal pasti konfigurasi atom yang boleh bertindak sebagai pusat penggabungan semula pembawa. Begitu juga, adalah perlu untuk mengesahkan bahawa pasif yang dimasukkan ke dalam CdTe dapat meresap dan mengikat kepada kecacatan sasaran. Selain sempadan butiran yang berorientasikan sewenang-wenangnya, sesar susun dan Ʃ3 sempadan berkembar, kedua-duanya terletak pada {111} satah, adalah kecacatan satah yang sangat biasa dalam CdTe. Kecacatan ini mempunyai ikatan jiran terdekat yang betul, namun gangguan susunan menjadi jelas pada jiran terdekat kedua (dan seterusnya). Walaupun antara muka ini telah dianggap jinak setakat pusat penggabungan semula pembawa, peranan mereka dalam menarik kekotoran dan kecacatan titik anti-tapak masih tidak diketahui. Dalam Rajah 8, kami menunjukkan imej HAADF dan imej XEDS bagi kerosakan susun dalam CdTe sepanjang [110] . Dalam unjuran ini, lajur atom Cd dan Te membentuk struktur seperti halter dengan pemisahan lajur 162 pm. Data XEDS jelas menunjukkan resolusi atom dan kekutuban kecacatan planar boleh dikenal pasti dengan mudah. Lebih tepat lagi, arah dumbbell pada sesar susun diputar sebanyak 250° kira-kira [110]. Rajah 8 menunjukkan bahawa lajur penamat sebelah kiri antara muka ialah Te, diikuti oleh Cd. Data sedemikian akan membolehkan kami mengukur kemungkinan perubahan dalam stoikiometri merentasi sempadan berkembar dan ralat susun, mengesan kehadiran dopan, dan menentukan struktur atom teras kehelan yang menamatkan kecacatan tersebut.
Imej HAADF dan peta XEDS lajur atom yang diselesaikan bagi kehelan Lomer-Cottrell di sepanjang paksi zon [-1- 10] dalam CdTe ditunjukkan dalam Rajah 9. Lebih khusus lagi, dua ralat susun intrinsik dilihat dalam imej HAADF dan imej spektrum XEDS menunjukkan keamatan bersepadu puncak Cd dan Te L dalam ralat susun. Teras kehelan terletak di puncak dua sesar susun bersilang, dan terdiri daripada tiga tiang atom Cd dan satu tiang Te (Cd3Te), seperti yang boleh dilihat daripada peta imej spektrum yang ditunjukkan dalam Rajah 8. Perlu dinyatakan di sini bahawa tanpa ketersediaan imej spektrum XEDS, pengecaman lajur atom dalam teras kehelan tidak akan dapat dilakukan, kerana nombor atom (Z) untuk Cd dan Te terlalu hampir untuk dibezakan menggunakan pengimejan HAADF sahaja.
Rajah 8 Imej HAADF STEM diperoleh merentasi sempadan berkembar, dilihat dengan siri Cd L (merah) dan Te L (biru) bertindan. Bar skala ialah 1 nm dan digunakan pada peta elemen individu.
Rajah 9 a) Peta XEDS yang diselesaikan lajur atom ditindan di atas imej kontras Z dalam unjuran <110>. Teras kehelan LC (dikelilingi) dikaitkan dengan dua ralat susun intrinsik putus-putus.
Feritin dalam sel cecair graphene
Pertumbuhan nanozarah, tindak balas kimia atau aktiviti biokimia sering berlaku dengan kehadiran cecair. Untuk mengkaji sampel cecair dalam mikroskop elektron, beberapa reka bentuk sel cecair telah tersedia secara komersial sejak beberapa tahun kebelakangan ini yang membolehkan bahan diimej dalam persekitaran cecair yang dikawal dengan teliti dalam vakum TEM. Walau bagaimanapun, semua mengalami beberapa batasan utama yang tidak membenarkan pengimejan atau spektroskopi resolusi tinggi ultra:[52] 1) dua Si3N4 lapisan (tebal 50-500 nm) digunakan sebagai tingkap lut sinar elektron dan 2) ketebalan cecair yang mengelilingi sampel. Dalam sel cecair ini, resolusi pengimejan biasanya terhad kepada nanometer. Spektroskopi kehilangan tenaga elektron (EELS) terdegradasi oleh pelbagai peristiwa serakan dalam lapisan tingkap tebal, dan isyarat coreloss yang kuat dikaitkan dengan kehadiran Si dan N [53]. Selain ketebalan sampel yang meningkat, kerosakan sinaran merupakan faktor yang mengehadkan asas apabila memeriksa bahan sensitif rasuk dan/atau sampel hidro dalam TEM. Telah ditunjukkan bahawa menyalut spesimen dengan karbon, logam atau grafem [54-58] , atau menurunkan suhu [57] mempunyai kesan positif terhadap kerosakan sinaran dengan mengurangkan pengecasan elektrostatik, kehilangan jisim, kehilangan kehabluran, atau kadar ion format kecacatan. [54-58] . Kajian-kajian ini mencadangkan bahawa adalah mungkin untuk mengurangkan kerosakan sinaran kepada pecahan di bawah ikatan kovalen. Walau bagaimanapun, pengurangan kerosakan sinaran selanjutnya diperlukan untuk pencirian sampel biologi, kerana banyak struktur dan fungsi biologi berkaitan dengan ikatan hidrogen yang lebih lemah.
Kami telah membangunkan pendekatan bioserasi untuk membungkus cecair yang mengandungi sampel dalam lapisan tunggal graphene. Ini bukan sahaja membenarkan sampel biologi untuk diimej terus pada resolusi atom dalam keadaan cecair asli tanpa had daripada ketebalan tingkap (lihat Rajah 10), tetapi juga membolehkan analisis skala nm menggunakan EELS untuk mengukur tindak balas dalam persekitaran akueus [59]. Perlu dinyatakan di sini bahawa sebarang pengimejan atau analisis kimia sel cecair graphene memerlukan tenaga pancaran elektron diturunkan di bawah 100 kV, dan imej yang ditunjukkan dalam Rajah 10 diambil pada 80 kV.
Selanjutnya, kami telah menunjukkan bahawa tenaga yang didepositkan oleh elektron yang masuk dilesapkan oleh graphene dari kawasan yang disinari pada kadar yang bersamaan dengan arus rasuk beberapa elektron setiap Å2 sesaat [59]. Oleh itu, ini akan memberikan pengurangan kerosakan sinaran, membolehkan pengimejan resolusi tinggi dan spektroskopi bahan sensitif rasuk. Butiran, seperti atom Fe individu (lihat Rajah 10) atau polipeptida protein tidak tercemar, diselesaikan dalam persekitaran cecair. Dengan berhati-hati mengawal kadar dos elektron teraruh, kami telah menunjukkan bahawa ion tindak balas, seperti peralihan fasa cecair / gas (pembentukan gelembung dan pemeluwapan), atau pertumbuhan zarah nano / nanowire boleh dimulakan di lokasi terpilih dalam GLC, dan direkodkan pada resolusi nm. Teknik ini juga membolehkan kami melakukan kajian kuantitatif kesan kerosakan sinaran pada sampel terkapsul yang berbeza, seperti air atau protein, dengan memerhati proses tindak balas tempatan.
Rajah 10 HAADF (A dan B) imej feritin dalam sel cecair graphene (GLC). Buih dalam (A) telah dibentuk terlebih dahulu menggunakan mod Ronchigram untuk mengesahkan kehadiran cecair. Dalam mod STEM, kadar dos elektron dan masa tinggal piksel dioptimumkan supaya tiada buih selanjutnya terbentuk semasa pengimbasan. Atom besi tunggal diselesaikan dalam persekitaran cecair dalam imej (B) berhampiran pinggir GLC. Profil garis merentasi atom kiri atas ditunjukkan sebagai inset (B), dengan setiap piksel sepadan dengan 0.99 Å. Peleraian imej ini dioptimumkan dengan mengambil imej di bawah kawasan ambang yang sepadan dengan purata kadar dos pembentukan gelembung pada setiap pembesaran.
Kesimpulan
Hampir dua tahun selepas penghantaran JEOL ARM200CF baharu kepada UIC, kami telah menunjukkan keupayaan instrumen untuk melaksanakan dengan resolusi sub-Å dan sub-eV dalam pelbagai persekitaran menggunakan pancaran elektron tenaga primer 200 kV. Resolusi spatial dikurangkan dalam 1.0 Å untuk pengimejan tenaga rendah pada 80 kV tanpa sebarang kehilangan dalam keupayaan analitikal inst rumen. Sebagai tambahan ion, ARM200CF berkemampuan untuk menggambar sampel dalam persekitaran cecair, pada suhu tinggi atau kriogenik sama ada dalam mod TEM atau STEM.
Penghargaan
Penulis mengiktiraf sokongan untuk kerja ini daripada Yayasan Sains Kebangsaan [DMR- 0846748] dan Jabatan Tenaga AS (DOEEE0005956). Pemerolehan UIC JEOL JEMARM200CF disokong oleh MRI-R2 geran daripada Yayasan Sains Kebangsaan [DMR-0959470]. Sokongan daripada Pusat Sumber Penyelidikan UIC juga diakui.
Rujukan
[1] Hashimoto, A., et al., Bukti langsung untuk kecacatan atom dalam lapisan graphene. alam semula jadi, 430(7002): hlm. 870-873 (2004).
[2] Regan, BC, et al., Karbon nanotiub sebagai penghantar jisim skala nano. alam semula jadi, 428(6986): hlm. 924-927 (2004).
[3] Cumings, J., PG Collins, dan A. Zettl, Bahan - Mengupas dan mengasah tiub nano berbilang dinding. alam semula jadi, 406(6796): hlm. 586-586 (2000).
[4] Iijima, S., Mikrotubul Heliks Karbon Grafit. alam semula jadi, 354(6348): hlm. 56-58 (1991).
[ 5 ] Wang, ZL dan Z. Kang, C., Bahan Berfungsi dan Pintar.: Plenum Press (1998).
[6] Ohtomo, A., et al., Pemodulasi cas tiruan dalam superlattices perovskite titanat skala atom. alam semula jadi, 419(6905): hlm. 378-380 (2002).
[7] Zuo, JM, et al., Pengimejan resolusi atom bagi tiub nano karbon daripada keamatan pembelauan. Sains, 300(5624): hlm. 1419-1421 (2003).
[8] Bell, AT, Kesan nanosains pada pemangkinan heterogen. Sains, 299(5613): hlm.
Adakah anda seorang profesional perubatan atau kakitangan yang terlibat dalam penjagaan perubatan?
Tidak
Sila diingatkan bahawa halaman ini tidak bertujuan untuk memberikan maklumat tentang produk kepada orang ramai.