加州大学欧文分校的研究人员开发了一种新的扫描透射电子显微镜方法，该方法能够以亚埃分辨率显示材料的电荷密度。
通过这种技术，UCI的科学家能够观察原子与分子之间的电子分布，并揭示出铁电起源的线索，铁电是某些晶体具有自发极化的能力，可以通过施加电场进行切换。这项研究在今天发表在《自然》上的一项研究中得到了强调，该研究还揭示了两种材料之间电荷转移的机理。
UCI小组负责人潘晓庆说：“这种方法是电子显微镜的一种发展-从检测原子到成像电子-可以帮助我们设计出具有所需特性和功能的新型材料，以用于数据存储，能量转换和量子计算的设备。”亨利·萨穆利(Henry Samueli)被任命为工程学系主任，同时兼任材料科学与工程学以及物理学与天文学教授。
他的团队使用一种新型的像差校正扫描透射电子显微镜，该显微镜具有可测量半埃的细电子探针和快速直接电子检测相机，能够从目标区域的感兴趣区域获取二维衍射图样的光栅图像。样品。所获得的数据集为4-D，因为它们由2-D扫描区域中每个探针位置的2-D衍射图组成。
“通过我们的新显微镜，我们通常可以形成一个小到0.6埃的电子探针，而我们的具有角分辨率的高速相机可以以每秒300帧的速度获取512 x 512像素的4-D STEM图像。”说过。“使用这种技术，我们可以看到两种不同的钙钛矿氧化物，非极性钛酸锶和铁电铋铁氧体中原子之间的电子电荷分布。”
散装材料中的电子电荷密度可以通过X射线或电子衍射技术来测量，方法是假设束照射区域内具有完美的无缺陷结构。但是，潘说，在解决由界面和缺陷组成的纳米结构材料中的电子电荷密度方面仍然存在挑战。
他说：“原则上，局部电场和电荷密度可以通过使用具有亚埃电子探头的像差校正扫描透射电子显微镜通过电子衍射成像来确定。” “穿过样品时，电子束在其路径中与材料的内部电场相互作用，从而导致其动量的变化反映在衍射图中。通过测量该变化，可以发现样品局部区域中的电场可以勾画出电荷密度。”
潘补充说，尽管这一原理已经在仿真中得到了证明，但是到目前为止，还没有任何实验成功。
UCI材料科学与工程系的博士后研究员高文培说：“使用4-D STEM方法获得的电子电荷密度图与第一原理计算的理论结果相符。” “使用这种技术对铁酸铋和钛酸锶之间的铁电/绝缘体界面的研究直接表明了铋化合物极性原子结构的特征如何通过界面泄漏，出现在通常为非极性的钛酸锶中。结果，界面容纳了被限制在小于1纳米厚的小区域内的多余电子。”
潘说，该项目为材料科学家和工程师提供了用于评估功能材料和纳米器件的结构，缺陷和界面的新工具。他指出，可能很快就可以对材料和分子的电荷密度进行高通量分析，以添加到“材料基因组计划”的属性数据库中。
UCI物理与天文学教授吴如谦(Ruqian Wu)表示，“随着电子显微镜从对原子成像到探测电子的发展，它将在材料研究中带来新的理解和发现。” “能够对靠近界面，晶界或其他平面缺陷的原子周围的电荷密度分布进行成像的能力，为电子显微镜和材料科学开辟了新领域。”