Используя птихографию, метод когерентной дифракционной визуализации, основанный на высокоэффективной сканирующей просвечивающей рентгеновской микроскопии (STXM), коллаборация смогла нанести на карту химический состав нанокристаллов фосфата лития-железа после частичного дилитирования. Результаты позволили по-новому взглянуть на материал, представляющий большой интерес для электрохимического накопления энергии.
«Мы разработали методы дифракционной визуализации, способные обеспечить пространственное разрешение, которое не может быть сопоставлено с обычными схемами визуализации», – говорит Дэвид Шапиро, физик из ALS. "Сейчас мы вступаем в стадию, когда наши рентгеновские микроскопы больше не ограничены нашей оптикой, и мы можем получать изображения с длиной волны, близкой к длине волны нашего рентгеновского света."
Шапиро – ведущий автор и автор статьи об этом исследовании в Nature Photonics.
Работа называется «Картирование химического состава с нанометровым разрешением с помощью мягкой рентгеновской микроскопии."
В птихографии (произносится как «галстук-шестеренка-рафи») комбинация нескольких когерентных дифракционных измерений используется для получения 2D или 3D карт объектов микронных размеров с высоким разрешением и чувствительностью. Из-за чувствительности мягких рентгеновских лучей к электронным состояниям, птихография может использоваться для изображения химических фазовых превращений и механических последствий тех преобразований, которым подвергается материал.
«До этой работы, однако, пространственное разрешение психографических микроскопов не превосходило разрешения лучших традиционных систем, использующих линзы с зональной рентгеновской пластиной», – говорит Ховард Падмор, руководитель группы экспериментальных систем в ALS и соавтор книги. статья Nature Photonics. "Проблема возникла из-за того, что птихография была в первую очередь разработана для источников жесткого рентгеновского излучения с использованием простой оптики-обскуры для освещения. Это привело к низкому поперечному сечению рассеяния и низкой когерентной интенсивности на образце, а это означало, что время экспонирования должно было быть чрезвычайно большим, а механическая стабильность и стабильность освещения были недостаточно хороши для высокого разрешения."
Ключом к успеху Шапиро и его сотрудников было использование мягкого рентгеновского излучения с длинами волн от 1 до 10 нанометров и специального алгоритма, который устранял влияние всех некогерентных фоновых сигналов. Птихографические измерения были записаны с помощью приборов STXM на канале ALS 11.0.2, в котором используется ондуляторный источник рентгеновского излучения, и канал 5 ALS.3.2.1, в котором используется источник поворотного магнита.
Когерентный пучок мягкого рентгеновского излучения будет фокусироваться на образце и сканироваться с шагом 40 нанометров. Затем данные дифракции будут записаны на рентгеновскую ПЗС-матрицу (устройство с зарядовой связью), которая позволяет реконструировать образец до очень высокого пространственного разрешения
«На протяжении всего сканирования мы поддерживали относительное выравнивание образца и фокусирующей оптики с помощью системы интерферометрической обратной связи с точностью, сравнимой с длиной волны рентгеновского излучения», – говорит Шапиро.
Литий-фосфат железа широко изучается на предмет его использования в качестве катодного материала в перезаряжаемых литий-ионных батареях.
Используя свою технику птихографии для картирования химического состава кристаллов фосфата лития-железа, Шапиро и его сотрудники обнаружили сильную корреляцию между структурными дефектами и распространением химической фазы.
«Поверхностное растрескивание в этих кристаллах было ожидаемым, – говорит Шапиро, – но других средств визуализации корреляции этих трещин с химическим составом в этих масштабах не существует.
Возможность визуализировать взаимосвязь кинетики фазового превращения с механическими последствиями имеет решающее значение для разработки материалов с максимальной прочностью."
Шапиро и его коллеги уже начали применять свою технику пихографии для изучения каталитических и магнитных пленок, магнитотактических бактерий, смесей полимеров и зеленых цементов.
В этой установке мягкой рентгеновской птихографии пластина с внешней зоной шириной 60 нм фокусирует когерентный пучок мягкого рентгеновского излучения на образец, который сканируется с шагом 40 нм, чтобы гарантировать перекрытие зондируемых областей.
Для химического картирования фосфата лития-железа они использовали прибор STXM на канале 5 ALS.3.2.1, который требовал до 800 миллисекунд воздействия рентгеновского луча для каждого сканирования. В следующем году они планируют использовать новый луч ALS под названием COSMIC (когерентное рассеяние и микроскопия), в котором будет использоваться ондуляторный источник рентгеновского излучения высокой яркости, соединенный с новыми датчиками CCD с высокой частотой кадров, которые сократят время экспозиции луча до нескольких единиц. миллисекунды и обеспечивают пространственное разрешение на длине волны излучения.
«Если бы микроскопы видимого света могли достичь разрешения, которое в 50 раз превышало бы длину волны видимого света, мы не смогли бы увидеть большинство одноклеточных организмов», – говорит Шапиро. "Где бы науки о жизни были с таким ограничением?? Сейчас мы приближаемся к тому моменту, когда у нас будут рентгеновские микроскопы, сопоставимые по качеству с современными приборами видимого света для исследования наноматериалов."
Соавторами статьи Nature Photonics, помимо Шапиро и Падмора, были Янг-Санг Ю, Толек Тилищак, Хорди Кабана, Рич Селестре, Вейлун Чао, Дэвид Килкойн, Стефано Марчезини, Тони Уорвик и Ли Ян из лаборатории Беркли; Константин Казначеев из Брукхейвенской национальной лаборатории; Ширли Мэн из Университета Сан-Диего; и Филипе Майя из Упсальского университета в Швеции.
Это исследование было в первую очередь поддержано Министерством энергетики США.