I ricercatori dell’Università della California, Irvine (UCI), hanno sviluppato un nuovo metodo di microscopia elettronica che consente la visualizzazione della densità di carica elettrica dei materiali a risoluzione sub-angstrom.

Con questa tecnica gli scienziati dell’UCI sono stati in grado di osservare la distribuzione di elettroni tra atomi e molecole nonchè ottenere indizi sulle origini della ferroelettricità ossia la capacità di alcuni cristalli di possedere una polarizzazione elettrica spontanea che può essere attivata dall’applicazione di un campo elettrico. La ricerca, che è evidenziata in uno studio pubblicato su Nature, ha anche rivelato il meccanismo di trasferimento della carica tra due materiali.

Struttura atomica e dipolo di campo elettrico di BiFeO3. Credito: nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1649-6

Questo metodo rappresenta un progresso nella microscopia elettronica che potrebbe aiutarci a progettare nuovi materiali con le proprietà e le funzionalità desiderate per i dispositivi utilizzati per l’archiviazione dei dati , la conversione di energia e la computazione quantistica“, ha affermato il leader del team Xiaoqing Pan, UCI Henry Samueli. “Con il nostro nuovo microscopio, possiamo costruire una sonda elettronica piccola delle dimensioni di 0,6 angstrom ed una fotocamera ad alta velocità con risoluzione angolare che può acquisire immagini STEM 4-D con 512 x 512 pixel a più di 300 fotogrammi al secondo“, ha continuato Pan. “Usando questa tecnica, possiamo vedere la distribuzione della carica elettronica tra gli atomi in due diversi ossidi di perovskite, titanato di stronzio non polare e ferrite di bismuto ferroelettrico“.

Approfondimento

La densità di carica dell’elettrone nei materiali può essere misurata mediante tecniche di diffrazione di raggi X o di elettroni, supponendo di avere una struttura perfettamente priva di difetti all’interno dell’area illuminata dai raggi. Ma, ha detto Pan, rimane una sfida risolvere la densità di carica degli elettroni nei materiali nanostrutturati.

“In linea di principio, il campo elettrico locale e la densità di carica possono essere determinati mediante l’imaging a diffrazione di elettroni utilizzando il nuovo microscopio elettronico con correzione dell’aberrazione con una sonda elettronica sub-angstrom“, ha continuato. “Mentre penetra attraverso un campione, il fascio di elettroni interagisce con il campo elettrico interno del materiale lungo il suo percorso, determinando una variazione del suo momento riflesso nel modello di diffrazione. Misurando questa variazione, il campo elettrico può essere delimitato in una zona del campione e la densità di carica può essere rilevata“.

Pan ha aggiunto che sebbene questo principio sia stato dimostrato nelle simulazioni, finora nessun esperimento ha avuto successo.

Le mappe della densità di carica degli elettroni ottenute utilizzando il metodo 4-D STEM si abbinano ai risultati teorici dei calcoli del principio primo“, ha dichiarato l’autore principale Wenpei Gao, ricercatore post-dottorato dell’UCI nella scienza e ingegneria dei materiali. “Lo studio dell’interfaccia ferroelettrica / isolante tra ferrite di bismuto e titanato di stronzio usando questa tecnica mostra direttamente come le caratteristiche della struttura atomica polare del composto di bismuto si diffondono attraverso l’interfaccia, comparendo nel titanato di stronzio normalmente non polare. Di conseguenza, l’interfaccia ospita elettroni in eccesso confinati in una piccola zona di spessore inferiore a 1 nanometro“.

Pan ha affermato che questo progetto offre a scienziati e ingegneri dei nuovi strumenti per la valutazione di strutture e difetti nei nanodispositivi. Ha osservato che potrebbe presto essere possibile effettuare una mappatura ad alto rendimento della densità di carica di materiali e molecole da aggiungere al database a favore dell’Iniziativa sul genoma dei materiali.

Man mano che la microscopia elettronica avanza dagli atomi di imaging ai probing electrons, porterà a nuove conoscenze e scoperte nella ricerca sui materiali“, ha affermato il co-autore Ruqian Wu, professore di fisica e astronomia dell’UCI, che ha guidato il lavoro teorico dello studio. “La capacità di osservare la distribuzione della densità di carica attorno agli atomi vicino a interfacce, margini o altre imperfezioni, apre nuovi campi per la microscopia elettronica e la scienza dei materiali“.

Ulteriori informazioni: Imaging della densità di carica nello spazio reale con risoluzione sub-ångstrom mediante microscopia elettronica a quattro dimensioni, Nature (2019). DOI: 10.1038 / s41586-019-1649-6 , https://nature.com/articles/s41586-019-1649-6

Fornito dall’Università della California, Irvine.