(Phys.org) - Nas últimas três décadas, A microscopia de tunelamento de varredura (STM) tornou-se rapidamente um dos principais componentes da caixa de ferramentas da física da matéria condensada. Embora o STM possa fornecer grandes quantidades de dados sobre o eletrônico, estrutural, e propriedades magnéticas de materiais em resolução atômica, seu calcanhar de Aquiles é sua incapacidade de caracterizar as espécies elementares. Mas uma equipe do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Ohio encontrou uma maneira de contornar essa limitação combinando o STM com a versatilidade espectroscópica dos raios X síncrotron, obtenção de impressão digital química de aglomerados de níquel individuais em uma superfície de cobre a uma resolução de 2 nm, criando uma ferramenta de imagem em nanoescala poderosa e versátil com promessa e potencial empolgantes para os materiais e as ciências biológicas. Seu trabalho foi publicado em Nano Letras .

Trabalhando no Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) / Linha de luz 26-ID da Divisão de Ciência de Raios-X da Fonte Avançada de Fótons do Departamento de Energia dos EUA, os pesquisadores aproveitaram algumas das inovações tecnológicas desenvolvidas pelos pesquisadores da Argonne.

Contudo, a equipe teve que superar alguns obstáculos experimentais para combinar STM com raios-X síncrotron. A resolução e a sensibilidade do STM podem ser adversamente afetadas por elétrons fotoejetados da amostra, interferindo na medição dos efeitos de tunelamento.

p Os pesquisadores de Argonne inventaram e patentearam uma "ponta inteligente" nanofabricada para o microscópio de tunelamento de varredura que focaliza nitidamente a detecção de elétrons apenas para aqueles coletados na ponta de varredura, onde interage com a amostra, ignorando os elétrons de fundo das paredes laterais da ponta. Os vários revestimentos para a ponta inteligente foram cultivados no CNM, e, em seguida, o ápice da ponta foi exposto por meio de moagem de feixe de íons focalizada realizada no CNM Microscopy Center (EMC). (O APS, CNM, e EMC em Argonne são instalações de usuários do Office of Science.)

A equipe também desenvolveu um circuito de filtro que separa os dados químicos e magnéticos das correntes induzidas por raios-X e os dados topográficos dos efeitos de tunelamento convencionais em dois canais, permitindo que sejam gravados separadamente sem interferência mútua.

Usando a resolução e a sensibilidade marcadamente aprimoradas possibilitadas com esses avanços na microscopia de tunelamento de raios-X síncrotron (SX-STM), a equipe de experimentos da Argonne / Ohio University analisou aglomerados de níquel depositados em uma superfície de cobre. Usualmente, porque a impressão digital química usando raios-x é baseada em seções transversais de fotoionização, tais medições são calculadas em uma área de superfície bastante ampla e profundidade. Mas a nova técnica foi capaz de obter imagens e obter uma seção transversal de fotoionização de um único aglomerado de níquel na superfície da amostra com resolução de 2 nm.

"Demonstramos um recorde mundial na resolução espacial de imagens químicas usando microscopia de túnel de varredura de raios-X síncrotron, "disse Saw-Wai Hla, um co-autor do artigo Nano Letters.

p "Isso tem um impacto tremendo para muitas áreas científicas, incluindo ciência dos materiais, química, e materiais de energia, "disse o co-autor Volker Rose.

p Tanto essa resolução notável quanto a impressão digital química precisa de nanoclusters de níquel individuais também foram claramente evidentes nas imagens topográficas da superfície da amostra, até mesmo até a altura de um único átomo. Os experimentadores observaram que a espessura dos aglomerados individuais parece não ter efeito sobre a intensidade de contraste de sua assinatura química. Eles sugerem que, como o tunelamento é um efeito local sensível apenas à camada superior de materiais, este fenômeno, conforme observado topograficamente, resulta do tunelamento de fotoelétrons excitados por raios X a partir de estados entre o nível de Fermi e a função de trabalho.

Enquanto os experimentos atuais foram conduzidos em temperatura ambiente, os pesquisadores prevêem alcançar uma resolução ainda melhor no SX-STM em temperaturas muito mais baixas.

Mesmo em sua forma atual, as técnicas demonstradas aqui podem revolucionar a imagem em nanoescala em domínios muito além da ciência dos materiais, incluindo eletrônica e biologia. Ao superar as limitações inerentes ao STM e à microscopia de raios-X, este novo trabalho também combinou os pontos fortes de cada um para criar uma ferramenta de imagem poderosa e versátil com uma promessa e potencial empolgantes.