Продвигая понимание наноразмеров, группа китайских исследователей разработала метод визуализации, основанный на просвечивающей электронной микроскопии in situ (ПЭМ), который предлагает новые и мощные функциональные возможности. Он напрямую коррелирует структуру атомного масштаба с физическими и химическими свойствами.
На этой неделе исследователи объясняют, как их открытие важно для проектирования и производства следующего поколения технологических устройств, в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing.
Эта работа имеет потенциальные приложения, которые варьируются от интеллектуальных окон на основе электрохромной технологии, которые меняют оттенок при приложении электрического поля к поверхности окна, до изменения его непрозрачности в ответ на напряжение, до новых устройств для управления энергией, информацией и окружающей средой.
Исследователь Сюэдун Бай, Ph.D., из Пекинской национальной лаборатории физики конденсированных сред и Института физики Китайской академии наук и Совместного инновационного центра квантовой материи возглавляет команду, которая также сотрудничает с Международным центром квантовых материалов, Школой физики Пекинского университета.
«В настоящее время атомный механизм новых устройств для энергетических, информационных и экологических приложений является важным вопросом», – сказал Бай. «Визуализация атомных процессов в физических и химических явлениях в реальном времени является задачей метода in situ TEM. Одна цель нашего исследования – понять основные принципы доступных устройств в атомном масштабе, другая – изучить революционные устройства, основанные на получении изображений атомных процессов in situ с помощью просвечивающего электронного микроскопа."
В технологии ПЭМ, получившей Нобелевскую премию, электронный луч – вместо светового луча, используемого в традиционных микроскопах – проходит через исследуемый металлический образец. Из-за меньшей длины волны электронов технология ПЭМ предлагает исследователям гораздо более высокое разрешение, поэтому они могут видеть больше деталей, чем это возможно с помощью светового микроскопа.
Бай подчеркивает, что взаимосвязь между структурой и собственностью является фундаментальным интересом в материаловедении. Тем не менее, одним из ограничений для исследования этой взаимосвязи является то, что определение характеристик структуры и измерения свойств обычно выполняются отдельно обычными методами, особенно для наноразмерных материалов.
Их новый шаг заключался в объединении этих шагов.
«В течение последних 15 лет наша работа была сосредоточена на создании и применении метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) in situ, поэтому свойства в наномасштабе при различных физических воздействиях, включая электрические и оптические, изучались внутри ПЭМ», Бай сказал.
В частности, команда сосредоточилась на одном из наиболее широко используемых электрохимических материалов, оксиде вольфрама, и критическом фазовом переходе при его производстве.
Используя усовершенствованную технику ПЭМ внутри электрохимической ячейки, их микроскопические динамические наблюдения выявили в реальном времени подробные механизмы, участвующие в формировании и эволюции электрохимических нанопроволок оксида вольфрама, которые находят множество применений в промышленности.
Одним из наиболее интересных аспектов их исследования было исследование процессов электромиграции ионов и вызванных ими динамических структурных преобразований. Они обнаружили, что они тесно связаны с электрохимическими характеристиками, и получили представление о широком потенциале исследований с использованием ПЭМ-изображений in situ.
«Новые свойства и важные научные проблемы могут быть выявлены с помощью визуализации с помощью просвечивающей электронной микроскопии in situ, например, окислительно-восстановительного процесса с электрическим приводом, места заселения атомов лития при работе литий-ионных батарей и массопереноса в электромеханической реакционной ячейке, все могут извлечь выгоду из получения изображений методом просвечивающей электронной микроскопии на месте », – сказал Бай.
В качестве следующего шага исследователи расширяют технику построения изображений в атомном масштабе in situ, чтобы объединить ее со сверхбыстрой оптической спектроскопией.
Благодаря этому расширению станет возможным получение изображений с высоким разрешением как в пространстве, так и во времени.