Podemos ver diretamente o mundo oculto dos átomos graças aos microscópios eletrônicos, desenvolvido pela primeira vez na década de 1930. Hoje, microscópios eletrônicos, que usam feixes de elétrons para iluminar e ampliar uma amostra, tornaram-se ainda mais sofisticados, permitindo que os cientistas tirem instantâneos do mundo real de materiais com uma resolução de menos da metade do diâmetro de um átomo de hidrogênio.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) estão expandindo os limites da microscopia eletrônica ainda mais por meio de uma técnica poderosa chamada 4-D-STEM, um termo que significa "raster 2-D de padrões de difração 2-D usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura."

Suas descobertas, relatado em Nature Communications e Materiais da Natureza , mostre pela primeira vez como 4-D-STEM pode fornecer uma visão direta sobre o desempenho de qualquer material - de vidro metálico forte a filmes semicondutores flexíveis - identificando "vizinhanças" atômicas específicas que podem comprometer o desempenho de um material, ou talvez tenha potencial para melhorá-lo.

"Historicamente, microscópios eletrônicos têm sido mais úteis em alta resolução para a geração de imagens de materiais duros, "disse o autor Andew Minor, quem liderou os estudos. Minor é o diretor das instalações do Centro Nacional de Microscopia Eletrônica (NCEM) na Fundição Molecular do Berkeley Lab; membro da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab; e professor de ciência de materiais e engenharia na UC Berkeley.

"Agora, nestes estudos, mostramos que quando 4-D-STEM é implantado com nossos detectores de alta velocidade, algoritmos personalizáveis, e poderosos microscópios eletrônicos, a técnica pode ajudar os cientistas a mapear regiões atômicas ou moleculares em qualquer material - mesmo sensível ao feixe, materiais macios - que não eram possíveis de ver com as técnicas anteriores, " ele disse.

Mapeando vizinhanças atômicas em materiais macios

No campo da eletrônica flexível e fotovoltaica orgânica, os cientistas normalmente usam raios-X para caracterizar a estrutura molecular de um material porque o feixe de elétrons em um microscópio eletrônico destruiria o material.

"Mas os raios X não podem ser focados no tamanho de átomos individuais, "disse Menor." Quando se trata de alcançar a resolução atômica, nada supera os elétrons. Você pode concentrar os elétrons em um ponto muito pequeno, e os elétrons reagem muito fortemente com os materiais. Isso é bom se você quiser muito sinal, mas é ruim se você tiver um material sensível ao feixe. "

Em seus Materiais da Natureza estude, Minor e co-autores demonstraram como os detectores de alta velocidade que capturam átomos em ação em até 1, 600 quadros por segundo com 4-D-STEM permitiu filmes moleculares sem precedentes de um semicondutor orgânico de molécula pequena. O filme mostrou como o ordenamento molecular no semicondutor, frequentemente usado em células solares orgânicas, alterado em resposta a um aditivo de processamento comum (chamado DIO ou 1, 8-diiodooctano) que é conhecido por aumentar a eficiência da célula solar.

Na condução do Materiais da Natureza estudo como parte do programa de Espalhamento e Microscopia Eletrônica de Matéria Mole do DOE, os experimentos 4-D-STEM permitiram a Minor e seus co-autores mapear a orientação dos grãos de moléculas ordenadas dentro do material, que parecem se cruzar, estradas sobrepostas conectando bairros adjacentes.

Esses detalhes, que não são possíveis de observar com STEM convencional, são significativos porque os limites de baixo ângulo - como longo, túneis retos através dos quais um carro pode acelerar desimpedido em alta velocidade - são necessários para os elétrons se acoplarem e gerarem uma carga em um semicondutor funcional.

Usando esta nova técnica poderosa, os pesquisadores demonstraram claramente que o aditivo DIO altera dramaticamente a nanoestrutura do material, e que essa estrutura de grãos sobreposta é a chave para a maior eficiência observada em células solares feitas a partir desses materiais, explicou Colin Ophus, um cientista pesquisador do NCEM.

"A razão pela qual é importante ver a distribuição de orientação de um material é porque esses limites medeiam fortemente a condutividade elétrica do material, "disse ele." Se um elétron atinge uma parede ou um limite de grão, ele tem uma grande chance de saltar, o que compromete o seu desempenho. "

Construindo materiais melhores, átomo por átomo

Em seus Nature Communications estude, realizado como parte do programa Mechanical Behavior of Materials do DOE, Menor, Ophus, e os co-autores usaram 4-D-STEM para localizar "elos fracos" em escala atômica em vidro metálico a granel que, em última análise, levam a fraturas sob estresse.

Metais regulares são materiais cristalinos, o que significa que seus átomos estão dispostos de forma perfeita, padrão de repetição - como bolas de tênis perfeitamente empilhadas dentro de um cubo para que preencham o espaço. Quando um átomo está faltando, esse defeito é óbvio ao microscópio eletrônico, tornando mais fácil prever onde um material pode ser comprometido.

Mas os vidros metálicos a granel (BMGs) são amorfos, o que significa que seus átomos formam um padrão desordenado - como um conjunto montado aleatoriamente, pilha instável de bolas de tênis, bolas de golf, e bolas de beisebol jogadas dentro de uma caixa. E essa estrutura imprevisível é o que torna difícil para os cientistas de materiais descobrirem onde esses defeitos atômicos podem estar se escondendo, pois comprometem a resistência de um material.

Usando 4-D-STEM com detectores de elétrons de alta velocidade, os pesquisadores mediram o espaçamento médio entre os átomos em certas regiões do material BMG, e registrou a "deformação" ou alteração neste espaçamento à medida que o material é puxado até que se rompa.

Eles mostraram que 4-D-STEM, quando combinados com detectores de elétrons de alta velocidade e algoritmos rápidos para analisar centenas de milhares de padrões de difração em uma amostra, pode identificar os precursores na estrutura atômica do material que fazem com que ele falhe, Ophus disse.

Focando no futuro de 4-D-STEM

No cerne deste casamento entre detectores de alta velocidade e microscópios 4-D-STEM estão algoritmos finos, que Ophus personaliza para cada usuário executando experimentos 4-D-STEM nas instalações NCEM da Foundry.

"Executamos alguns dos códigos de simulação 4-D-STEM mais rápidos do mundo, e cada projeto de usuário na Foundry traz desafios únicos, exigindo medições de propriedades de diferentes materiais de muitas amostras diferentes, "disse Ophus." Mas sabemos que nem todos podem escrever códigos, por isso ajudamos nossos usuários desenvolvendo textos personalizados, software amigável que permite simular e modelar materiais do mundo real em escalas sem precedentes. "

Ophus acrescentou que os usuários podem se beneficiar de seus scripts personalizados, mesmo sem vir para o Berkeley Lab. Ele e Menor, em colaboração com pesquisadores da Divisão de Pesquisa Computacional do Berkeley Lab e do Toyota Research Institute, estão desenvolvendo um código aberto, Software baseado em Python para que o poder do 4-D-STEM esteja disponível para centenas de instituições, em vez de apenas um punhado.

Depois de concluído, seu software de código aberto, juntamente com a nova câmera 4-D ultrarrápida do Berkeley Lab, abrirá o caminho para a geração de imagens de materiais em nível atômico ou molecular à medida que se transformam em resposta ao estresse em uma resolução ainda maior e velocidade mais rápida, disse Menor. Esta câmera é atualmente o detector de elétrons mais rápido do mundo, capturando instantâneos atômicos em 87, 000 fotogramas por segundo:cerca de 50 vezes mais rápido do que o estado da arte atual.