Investigadores de la Universidad de California, Irvine ha desarrollado un nuevo método de microscopía electrónica de transmisión de barrido que permite la visualización de la densidad de carga eléctrica de los materiales a una resolución inferior al angstrom.

Con esta técnica, Los científicos de la UCI pudieron observar la distribución de electrones entre átomos y moléculas y descubrir pistas sobre los orígenes de la ferroelectricidad. la capacidad de ciertos cristales de poseer una polarización eléctrica espontánea que puede conmutarse mediante la aplicación de un campo eléctrico. La investigación, que se destaca en un estudio publicado hoy en Naturaleza , También reveló el mecanismo de transferencia de carga entre dos materiales.

"Este método es un avance en la microscopía electrónica, desde la detección de átomos hasta la obtención de imágenes de electrones, que podría ayudarnos a diseñar nuevos materiales con las propiedades y funcionalidades deseadas para los dispositivos utilizados en el almacenamiento de datos". conversión de energía y computación cuántica, "dijo el líder del equipo Xiaoqing Pan, Catedrático de Ingeniería Henry Samueli de la UCI y profesor de ciencia e ingeniería de materiales y física y astronomía.

Empleando un nuevo microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones con una sonda de electrones finos que mide medio angstrom y una cámara de detección de electrones directa rápida, Su grupo pudo adquirir una imagen rasterizada 2-D de patrones de difracción de una región de interés en la muestra. Como se obtuvo, los conjuntos de datos son 4-D, ya que consisten en patrones de difracción 2-D de cada ubicación de la sonda en un área de escaneo 2-D.

"Con nuestro nuevo microscopio, podemos formar rutinariamente una sonda de electrones tan pequeña como 0,6 angstrom, y nuestra cámara de alta velocidad con resolución angular puede adquirir imágenes STEM 4-D con 512 x 512 píxeles a más de 300 cuadros por segundo, "Pan dijo." Usando esta técnica, podemos ver la distribución de carga de electrones entre átomos en dos óxidos de perovskita diferentes, titanato de estroncio no polar y ferrita de bismuto ferroeléctrico ".

La densidad de carga de electrones en materiales a granel se puede medir mediante técnicas de difracción de rayos X o de electrones asumiendo una estructura perfectamente libre de defectos dentro del área iluminada por el haz. Pero, Pan dijo:Sigue existiendo un desafío en la resolución de la densidad de carga de electrones en materiales nanoestructurados que consisten en interfaces y defectos.

"En principio, El campo eléctrico local y la densidad de carga se pueden determinar mediante imágenes por difracción de electrones utilizando un microscopio electrónico de transmisión de barrido con corrección de aberraciones con una sonda electrónica subangstrom. ", dijo." Mientras penetra a través de un espécimen, el haz de electrones interactúa con el campo eléctrico interno del material en su camino, resultando en un cambio en su momento reflejado en el patrón de difracción. Midiendo este cambio, se puede delinear el campo eléctrico en una región local de la muestra, y se puede derivar la densidad de carga ".

Pan agregó que aunque este principio se ha demostrado en simulaciones, ningún experimento ha tenido éxito hasta ahora.

"Los mapas de densidad de carga de electrones obtenidos mediante el método STEM 4-D coinciden con los resultados teóricos de los cálculos del primer principio, "dijo el autor principal Wenpei Gao, investigador postdoctoral de la UCI en ciencia e ingeniería de materiales. "El estudio de la interfaz ferroeléctrica / aislante entre la ferrita de bismuto y el titanato de estroncio utilizando esta técnica muestra directamente cómo las características de la estructura atómica polar del compuesto de bismuto se filtran a través de la interfaz, que aparece en el titanato de estroncio normalmente no polar. Como resultado, la interfaz alberga un exceso de electrones confinados a una pequeña región de menos de 1 nanómetro de espesor ".

Pan dijo que este proyecto brinda a los científicos e ingenieros de materiales nuevas herramientas para evaluar estructuras, defectos e interfaces en materiales funcionales y nanodispositivos. Señaló que pronto podría ser posible realizar un mapeo de alto rendimiento de la densidad de carga de materiales y moléculas para agregar a la base de datos de propiedades que ayudan en la Iniciativa del genoma de materiales.

"A medida que la microscopía electrónica avanza desde la obtención de imágenes de átomos hasta la exploración de electrones, conducirá a una nueva comprensión y descubrimiento en la investigación de materiales, "dijo el coautor Ruqian Wu, Profesor de física y astronomía de la UCI, quien dirigió el trabajo teórico del estudio. "La capacidad de obtener imágenes de la distribución de la densidad de carga alrededor de los átomos cerca de las interfaces, los límites de grano u otros defectos planos abren nuevos campos para la microscopía electrónica y la ciencia de los materiales ".