Fig. 1. Sección de rayos X localizada de una isla de Ni. (a) Vista tridimensional en perspectiva de un escaneo topográfico STM (110 × 60 nm2, −1 V, 1 nA). (b) Perfil de altura de la línea que se muestra en el escaneo topográfico. (c) Sección transversal de rayos X de una sola isla de Ni obtenida de I (rayos X, muestra) (arriba) y yo (radiografía, punta) (abajo). (d) Corriente de muestra I (rayos X, muestra) no proporciona contraste químico, cuando la energía de los rayos X (E =8,25 keV) está por debajo del borde K de Ni (8,33 keV). (e) La isla de Ni en la terraza de Cu (111) y las islas a lo largo del borde del escalón de Cu se vuelven claramente visibles para las energías de los fotones por encima del borde de Ni K, aquí E =8.55 keV. Crédito:N. Shirato et al., Nano. Letón.
(Phys.org) —Durante las últimas tres décadas, La microscopía de túnel de barrido (STM) se ha convertido rápidamente en un componente importante de la caja de herramientas de la física de la materia condensada. Si bien STM puede proporcionar grandes cantidades de datos sobre la electrónica, estructural, y propiedades magnéticas de los materiales a resolución atómica, su talón de Aquiles es su incapacidad para caracterizar especies elementales. Pero un equipo del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Ohio ha encontrado una forma de evitar esta limitación al combinar STM con la versatilidad espectroscópica de los rayos X de sincrotrón. lograr la toma de huellas químicas de los grupos de níquel individuales en una superficie de cobre a una resolución de 2 nm, creando una herramienta de imágenes a nanoescala poderosa y versátil con una promesa emocionante y potencial para los materiales y las ciencias biológicas. Su trabajo fue publicado en Nano letras .
Trabajando en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) / División de Ciencia de Rayos X, línea de luz 26-ID de la Fuente de Fotones Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., los investigadores aprovecharon algunas de las nuevas innovaciones tecnológicas desarrolladas por los investigadores de Argonne.
Sin embargo, el equipo tuvo que superar algunos obstáculos experimentales para combinar STM con rayos X de sincrotrón. La resolución y la sensibilidad de STM pueden verse afectadas negativamente por los electrones fotoeyectados de la muestra que interfieren con la medición de los efectos de efecto túnel.
Los investigadores de Argonne inventaron y patentaron una "punta inteligente" nanofabricada para el microscopio de túnel de barrido que enfoca de manera nítida la detección de electrones únicamente en aquellos recogidos en la punta de barrido donde interactúa con la muestra. ignorando los electrones de fondo de las paredes laterales de la punta. Los diversos recubrimientos para la punta inteligente se cultivaron en el CNM, y luego se expuso el ápice de la punta mediante un fresado con haz de iones enfocado llevado a cabo en el Centro de Microscopía Electrónica (EMC) del CNM. (El APS, CNM, y EMC en Argonne son instalaciones para usuarios de Office of Science).
Un diagrama de la configuración de imágenes, con la "punta inteligente" de STM y una imagen de grupos de Ni (verde) en la superficie de Cu (rojo). La punta inteligente consta de una punta conductora afilada (verde), recubierto coaxialmente por una capa aislante (gris), una fina capa de semillas (azul), y un escudo exterior conductor (oro).
El equipo también desarrolló un circuito de filtro que separa los datos químicos y magnéticos de las corrientes inducidas por rayos X y los datos topográficos de los efectos de túnel convencionales en dos canales. permitiendo que se graben por separado sin interferencia mutua.
Utilizando la resolución y la sensibilidad notablemente mejoradas que son posibles con estos avances en la microscopía de efecto túnel de rayos X sincrotrón (SX-STM), el equipo de experimentos de la Universidad de Argonne / Ohio analizó los racimos de níquel depositados sobre una superficie de cobre. Generalmente, porque la toma de huellas químicas mediante rayos X se basa en secciones transversales de fotoionización, tales medidas se promedian sobre una superficie y profundidad bastante amplias. Pero la nueva técnica pudo generar imágenes y obtener una sección transversal de fotoionización de un solo grupo de níquel en la superficie de la muestra con una resolución de 2 nm.
"Hemos demostrado un récord mundial en la resolución espacial de imágenes químicas utilizando microscopía de túnel de barrido de rayos X de sincrotrón, "dijo Saw-Wai Hla, coautor del artículo Nano Letters.
"Esto tiene un impacto tremendo en muchas áreas científicas, incluida la ciencia de los materiales, química, y materiales energéticos, "dijo el coautor Volker Rose.
Tanto esa resolución notable como la huella química precisa de los nanoclusters de níquel individuales también fueron claramente evidentes en las imágenes topográficas de la superficie de la muestra. incluso hasta la altura de un solo átomo. Los experimentadores notan que el grosor de los grupos individuales parece no tener ningún efecto sobre la intensidad del contraste de su firma química. Sugieren que debido a que la construcción de túneles es un efecto local sensible solo a la capa superior de materiales, este fenómeno observado topográficamente resulta del efecto túnel de fotoelectrones excitados por rayos X de estados entre el nivel de Fermi y la función de trabajo.
Si bien los experimentos actuales se realizaron a temperatura ambiente, los investigadores anticipan lograr una resolución aún mejor en SX-STM a temperaturas mucho más bajas.
Incluso en su forma actual, Las técnicas demostradas aquí pueden revolucionar las imágenes a nanoescala en ámbitos mucho más allá de la ciencia de los materiales. incluyendo electrónica y biología. Al superar las limitaciones inherentes tanto de STM como de microscopía de rayos X, Este nuevo trabajo también ha combinado las fortalezas de cada uno para crear una herramienta de imágenes poderosa y versátil con una promesa y un potencial emocionantes.
