p Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine desenvolveu um novo método de microscopia eletrônica de transmissão de varredura que permite a visualização da densidade de carga elétrica de materiais em resolução subangstrom. p Com esta técnica, os cientistas da UCI foram capazes de observar a distribuição de elétrons entre átomos e moléculas e descobrir pistas das origens da ferroeletricidade, a capacidade de certos cristais de possuírem polarização elétrica espontânea que pode ser trocada pela aplicação de um campo elétrico. A pesquisa, que é destacado em um estudo publicado hoje em Natureza , também revelou o mecanismo de transferência de carga entre dois materiais.

p "Este método é um avanço na microscopia eletrônica - desde a detecção de átomos até a geração de imagens de elétrons - que pode nos ajudar a projetar novos materiais com propriedades e funcionalidades desejadas para dispositivos usados ​​no armazenamento de dados, conversão de energia e computação quântica, "disse o líder da equipe Xiaoqing Pan, Henry Samueli, da UCI, é titular da cadeira de engenharia e professor de ciência e engenharia de materiais e física e astronomia.

p Empregando um novo microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração com uma sonda de elétrons fina medindo meio angstrom e uma câmera de detecção de elétrons direta e rápida, seu grupo foi capaz de adquirir uma imagem raster 2-D de padrões de difração de uma região de interesse na amostra. Como obtido, os conjuntos de dados são 4-D, uma vez que consistem em padrões de difração 2-D de cada localização da sonda em uma área de varredura 2-D.

p "Com nosso novo microscópio, podemos rotineiramente formar uma sonda de elétrons tão pequena quanto 0,6 angstrom, e nossa câmera de alta velocidade com resolução angular pode adquirir imagens STEM 4-D com 512 x 512 pixels a mais de 300 quadros por segundo, "Pan disse." Usando esta técnica, podemos ver a distribuição de carga de elétrons entre os átomos em dois óxidos de perovskita diferentes, titanato de estrôncio apolar e ferrita de bismuto ferroelétrico. "

p A densidade de carga de elétrons em materiais a granel pode ser medida por técnicas de raios-X ou difração de elétrons, assumindo uma estrutura perfeitamente livre de defeitos dentro da área iluminada pelo feixe. Mas, Pan disse, permanece um desafio em resolver a densidade de carga de elétrons em materiais nanoestruturados que consistem em interfaces e defeitos.

p "Em princípio, campo elétrico local e densidade de carga podem ser determinados por imagem de difração de elétrons usando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração com uma sonda de elétrons sub-angstrom, "disse ele." Ao penetrar em um espécime, o feixe de elétrons interage com o campo elétrico interno do material em seu caminho, resultando em uma mudança em seu momento refletido no padrão de difração. Medindo essa mudança, o campo elétrico em uma região local do espécime pode ser delineado, e a densidade de carga pode ser derivada. "

p Pan acrescentou que embora este princípio tenha sido demonstrado em simulações, nenhum experimento foi bem sucedido até agora.

p "Os mapas de densidade de carga de elétrons obtidos usando o método 4-D STEM correspondem aos resultados teóricos dos cálculos do primeiro princípio, "disse o autor principal Wenpei Gao, um pesquisador de pós-doutorado UCI em ciência e engenharia de materiais. "O estudo da interface ferroelétrica / isolante entre a ferrita de bismuto e o titanato de estrôncio usando essa técnica mostra diretamente como as características da estrutura atômica polar do composto de bismuto vazam pela interface, aparecendo no titanato de estrôncio normalmente não polar. Como resultado, a interface hospeda o excesso de elétrons confinados a uma pequena região com menos de 1 nanômetro de espessura. "

p Pan disse que este projeto oferece aos cientistas e engenheiros de materiais novas ferramentas para avaliar estruturas, defeitos e interfaces em materiais funcionais e nanodispositivos. Ele observou que em breve será possível realizar um mapeamento de alto rendimento da densidade de carga de materiais e moléculas para adicionar ao banco de dados de propriedades que auxiliam na Materials Genome Initiative.

p "À medida que a microscopia eletrônica avança da imagem de átomos para a sondagem de elétrons, isso levará a uma nova compreensão e descoberta na pesquisa de materiais, "disse o co-autor Ruqian Wu, Professor de física e astronomia da UCI, que conduziu o trabalho teórico do estudo. "A capacidade de criar imagens da distribuição da densidade de carga em torno dos átomos próximos às interfaces, os limites dos grãos ou outros defeitos planares abrem novos campos para a microscopia eletrônica e a ciência dos materiais. "