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    Los microscopios líderes en el mundo toman instantáneas sinceras de los átomos en sus vecindarios

    (Figura superior) Patrones de difracción de haz de electrones seleccionados que se utilizaron para formar la estructura molecular que se muestra en la parte inferior. (Figura inferior) El mapa 4D-STEM traza la estructura molecular de una película delgada de molécula pequeña. (Crédito:Colin Ophus / Berkeley Lab)

    Podemos ver directamente el mundo oculto de los átomos gracias a los microscopios electrónicos, desarrollado por primera vez en la década de 1930. Hoy dia, microscopios electrónicos, que utilizan haces de electrones para iluminar y ampliar una muestra, se han vuelto aún más sofisticados, permitiendo a los científicos tomar instantáneas de materiales del mundo real con una resolución de menos de la mitad del diámetro de un átomo de hidrógeno.

    Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) están ampliando aún más los límites de la microscopía electrónica a través de una poderosa técnica llamada 4-D-STEM, un término que significa "ráster 2-D de patrones de difracción 2-D utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido".

    Sus hallazgos, reportado en Comunicaciones de la naturaleza y Materiales de la naturaleza , mostrar por primera vez cómo 4-D-STEM puede proporcionar información directa sobre el rendimiento de cualquier material, desde vidrio metálico resistente hasta películas semiconductoras flexibles, al identificar "vecindades" atómicas específicas que podrían comprometer el rendimiento de un material, o quizás tenga el potencial de mejorarlo.

    "Históricamente, Los microscopios electrónicos han sido más útiles a alta resolución para obtener imágenes de materiales duros, "dijo el autor Andew Minor, quien dirigió los estudios. Minor es el director de instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica (NCEM) en la Fundición Molecular de Berkeley Lab; miembro de la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab; y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley.

    "Ahora, en estos estudios, Hemos demostrado que cuando se implementa 4-D-STEM con nuestros detectores de alta velocidad, algoritmos personalizables, y potentes microscopios electrónicos, la técnica puede ayudar a los científicos a trazar el mapa de regiones atómicas o moleculares en cualquier material, incluso sensibles a rayos, materiales blandos, que no eran posibles de ver con técnicas anteriores, " él dijo.

    Mapeo de vecindarios atómicos en materiales blandos

    Escaneo 4D-STEM de semiconductores orgánicos de moléculas pequeñas antes de agregar DIO. Los patrones de difracción muestran la orientación de las disposiciones moleculares en la película. (Crédito:Colin Ophus / Berkeley Lab)

    En el campo de la electrónica flexible y la fotovoltaica orgánica, Los científicos suelen utilizar rayos X para caracterizar la estructura molecular de un material porque el haz de electrones en un microscopio electrónico destruiría el material.

    "Pero los rayos X no se pueden enfocar al tamaño de átomos individuales, "dijo Minor." Cuando se trata de alcanzar una resolución atómica, nada supera a los electrones. Puedes enfocar los electrones en un punto muy pequeño, y los electrones reaccionan muy fuertemente con los materiales. Eso es bueno si quieres mucha señal, pero es malo si tiene un material sensible al rayo ".

    En su Materiales de la naturaleza estudio, Minor y sus coautores demostraron cómo los detectores de alta velocidad que capturan átomos en acción hasta 1, 600 cuadros por segundo con 4-D-STEM permitieron películas moleculares sin precedentes de un semiconductor orgánico de molécula pequeña. La película mostró cómo el orden molecular en el semiconductor, utilizado a menudo en células solares orgánicas, cambiado en respuesta a un aditivo de procesamiento común (llamado DIO o 1, 8-diyodooctane) que se sabe que mejora la eficiencia de las células solares.

    Al realizar la Materiales de la naturaleza estudiar como parte del programa de dispersión y microscopía electrónica de materia blanda del DOE, los experimentos 4-D-STEM permitieron a Minor y sus coautores trazar un mapa de la orientación de los granos de moléculas ordenadas dentro del material, que parecen cruzarse, carreteras superpuestas que conectan vecindarios adyacentes.

    Tales detalles, que no son posibles de observar con STEM convencional, son importantes porque los límites de ángulo bajo, como largos, Los túneles rectos a través de los cuales un automóvil puede acelerar sin obstáculos a alta velocidad son necesarios para que los electrones se acoplen y generen una carga en un semiconductor funcional.

    Usando esta nueva y poderosa técnica, los investigadores demostraron claramente que el aditivo DIO altera drásticamente la nanoestructura del material, y que esta estructura de grano superpuesta es clave para la eficiencia mejorada observada en las células solares hechas de estos materiales, explicó Colin Ophus, un científico investigador en NCEM.

    Escaneo 4D-STEM de semiconductores orgánicos de moléculas pequeñas después de agregar DIO. (Crédito:Colin Ophus / Berkeley Lab)

    "La razón por la que es importante ver la distribución de la orientación de un material es porque estos límites median fuertemente la conductividad eléctrica del material, ", dijo." Si un electrón golpea una pared o un límite de grano, tiene una alta probabilidad de rebotar, lo que compromete su rendimiento ".

    Construyendo mejores materiales, átomo por átomo

    En su Comunicaciones de la naturaleza estudio, llevado a cabo como parte del programa de comportamiento mecánico de los materiales del DOE, Menor, Ofus, y los coautores utilizaron 4-D-STEM para identificar los "eslabones débiles" a escala atómica en el vidrio metálico a granel que finalmente conducen a fracturas bajo tensión.

    Los metales regulares son materiales cristalinos, lo que significa que sus átomos están dispuestos de forma perfecta, patrón repetitivo, como pelotas de tenis perfectamente apiladas dentro de un cubo para que llenen el espacio. Cuando a un átomo le falta, tal defecto es obvio bajo un microscopio electrónico, lo que facilita predecir dónde podría verse comprometido un material.

    Pero los vidrios metálicos a granel (BMG) son amorfos, lo que significa que sus átomos forman un patrón desordenado, como un conjunto aleatorio, pila inestable de pelotas de tenis, pelotas de golf, y pelotas de béisbol lanzadas dentro de una caja. Y esta estructura impredecible es lo que dificulta que los científicos de materiales averigüen dónde podrían estar escondidos esos defectos atómicos, ya que comprometen la dureza de un material.

    Al usar 4-D-STEM con detectores de electrones de alta velocidad, los investigadores midieron el espaciado promedio entre átomos dentro de ciertas regiones del material BMG, y registró la "deformación" o cambio en este espaciado a medida que se tira del material hasta que se rompe.

    Los investigadores de Berkeley Lab utilizaron 4D-STEM para medir directamente los cambios nanoestructurales en el vidrio metálico a granel a medida que se rompe. (Crédito:Berkeley Lab)

    Mostraron que 4-D-STEM, cuando se combina con detectores de electrones de alta velocidad y algoritmos rápidos para analizar cientos de miles de patrones de difracción en una muestra, puede identificar los precursores en la estructura atómica del material que hacen que falle, Dijo Ophus.

    Centrándose en el futuro de 4-D-STEM

    En el corazón de esta unión entre los detectores de alta velocidad y los microscopios 4-D-STEM se encuentran los algoritmos finos, que Ophus personaliza para cada usuario que ejecuta experimentos 4-D-STEM en las instalaciones de NCEM de Foundry.

    "Ejecutamos algunos de los códigos de simulación 4-D-STEM más rápidos del mundo, y cada proyecto de usuario en Foundry trae desafíos únicos, requiriendo mediciones de las propiedades de diferentes materiales de muchas muestras diferentes, "dijo Ophus." Pero sabemos que no todo el mundo puede escribir código, por lo que ayudamos a nuestros usuarios mediante el desarrollo de software fácil de usar que les permite simular y modelar materiales del mundo real a estas escalas sin precedentes ".

    Ophus agregó que los usuarios pueden beneficiarse de sus scripts personalizados incluso sin tener que acudir a Berkeley Lab. Él y Minor, en colaboración con investigadores de la División de Investigación Computacional de Berkeley Lab y el Instituto de Investigación de Toyota, están desarrollando un código abierto, Software basado en Python para que el poder de 4-D-STEM esté disponible para cientos de instituciones en lugar de solo un puñado.

    Una vez completado, su software de código abierto, junto con la nueva cámara 4-D ultrarrápida de Berkeley Lab, allanará el camino para la obtención de imágenes de materiales a nivel atómico o molecular a medida que se transforman en respuesta al estrés a una resolución aún mayor y a una velocidad más rápida, dijo Minor. Esta cámara es actualmente el detector de electrones más rápido del mundo, capturando instantáneas atómicas en 87, 000 fotogramas por segundo:unas 50 veces más rápido que el estado actual de la técnica.

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