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木虫 (职业作家)

[交流] 逼近显微镜极限 已有2人参与

时间:2015-03-30 13:17 来源:环球科学(huanqiukexue.com)
研究人员正努力提高显微镜的精密程度,从而精确绘制出材料的原子结构,这对于推动材料科学的发展具有重大意义。
现今最好的电子显微镜和扫描探针显微镜(scanning probe microscope,SPM)具有极高的分辨率,可以“看到”单个原子和化学键,这一尺度范围大概为0.5埃(1埃 为0.1纳米,等于10-10米)。以这种分辨率来观察材料,如石墨烯、催化剂和氧化物等,能够揭示这些材料的结构,以及晶体缺陷对材料性质的影响。

为了真正理解材料的化学和物理性质,我们需要更加精确地绘制出原子的排列方式。1959年,物理学家理查德· 费曼 (Richard Feynman)在美国物理学会演讲时提到,“在最小尺度范围来观测材料,有非常多的应用空间”。这里的最小尺度,费曼将其设定为0.1 埃,当显微镜的分辨率达到0.1 埃后,受原子热振动的限制,显微图像就会到达物理极限。小的结构变形会影响磁性、化合价和自旋态(spin state),而分辨率达到极限后,结构变形就会变得明显。

目前,由于电子显微镜光学器件固有的分辨极限,我们无法从两个维度来观察原子或者成列原子。镜头不够完美,电子器件不够稳定,而且热噪声和环境因素也会造成视图模糊。一些科学家认为,显微镜永远无法跨越这些障碍。还有一些人认为,没有哪种材料的原子间距是小于0.5埃的,所以不需要去追求更高的分辨率。

我们不赞同这种观点。我们迫切需要更敏锐的显微镜,来帮助科学家解决重要的世界难题:太阳能、蓄电池和燃料电池,计算机存储芯片和固态照明,这些材料都需要向更高效率发展。而通过显微镜得到的原子的三维图像,将会为我们揭示,原子之间的相互作用是如何实现或限制材料功能的;重要的是,我们可以从中得知应该如何增强材料功能。

近些年来,研究人员以相对较低的成本,通过更改像差校正器(aberration corrector)的设计方式,将显微镜的分辨率提高到了0.2埃。对显微镜、材料、光学器件和电子器件进行微调,并降低环境噪声,可以提高显微镜的成像稳定性。而提高显微镜分辨率的主要障碍则来自商业——如果需求不足,投资回报的预期很低,那么制作显微镜的公司不会向太过专业的领域投资。

加速显微技术的发展,需要做3件事:学术界和工业界积极合作,政府提供资金,成立专门的中心来发展计算能力、数据存储和分析技术。

让成像更清晰
超越原子级的分辨率,对理解重要的几类材料非常关键,比如超导体、磁体和催化剂等。理论上来说,原子应均匀地整齐排列,但原子的实际位置常常会有小的偏差,这使得材料可以存储电荷、信息和能量,比如用作计算机存储芯片的铁电氧化物(ferroelectric oxide)和用作固态燃料电池的电催化氧化物(electrocatalytic oxide)。纳米金属(nanophase metal)、陶瓷、合金、太阳能电池、蓄电池和不同类型的玻璃,这些材料的原子排列非常复杂,现有技术还无法进行观测。

不同材料间的界面部分,比如磁体与超导体的界面,或者氧化物与氧化物间的连接部分,都可能显示出导电性、化学反应活性、超导性和铁磁性等性能,而这些性能是单独一种材料所不具备的。因此,我们需要从三个维度分别对材料的键长和键角进行更精密的测量,从而更进一步地研究材料性质,以便将这些材料用于下一代能量和信息技术设备。

电子透镜是利用磁场来成像,存在固有像差,而且不像玻璃镜片那样可以按任意曲率塑形。在摄像机中,打开光圈景深 (the depth of field,当焦距对准某一点时,这点前后都仍可清晰成像的范围)会减小,但深度分辨能力会提高。实际上,现在的分辨率极限为0.5埃,但可用光圈有限,限制了纳米尺度的深度分辨能力,因此对于识别单个原子来说,这个分辨率其实非常粗糙。

横向分辨率达到费曼水平,我们就可以沿垂直方向分辨出原子。材料样本不再需要与它们内部的晶体平面对齐。一次成像可以揭示出一个横截面的排列情况,使用不同焦点得到的一系列图像,就可以构建出一个三维扫描图。描述材料性能时可能会有不同的理论,通过观察三维空间的原子位置,就能够确定哪种理论是正确的。

对材料进行这些扫描操作,比如现在的显微成像时,必须要加以限制,这样样品才不会被电子束毁坏。生物学家需要用更短、更低频的扫描来获取材料的图像。研究人员需要学习一些新的技巧,但相应地也会得到巨大的回报。当分辨率提升、噪声降低后,我们将能够更快速地完成扫描,并监控材料随时间变化的过程。

其他类型的显微镜也将会具有更高的分辨率。电子能量损失能谱法(electron energy loss spectroscopy,EELS)也将会因3D扫描能力受益,在揭示原子结构的同时,显示出具体元素、化学原子价和能带级别。

SPM的成像原理是,利用尖锐探针与样本表面间的相互作用成像。SPM像扫描隧道显微技术(scanning tunnelling microscopy)一样,通过测量两者之间的电流,或者像原子力显微镜一样,通过测量两者间微小的作用力,来获取表面的结构图像。探针与材料表面的相互作用要受到基础物理学定律的约束,这会限制SPM可达到的最大分辨率,尽管如此,新型低噪声设备对表面原子的位移和键长变化的测量数值,误差要小于10皮米(pm,1pm=10-12m)。
通过探测SPM对材料的电子、声子(晶格的振动)和自旋的影响,我们就能更好地理解,究竟哪些因素决定了材料的铁电性、磁性和超导性。通过调节探针尖端的作用力和电流,可以改变原子和分子的位置,这些原子和分子远离平衡位置时,材料的化学、电化学变化也会被探测到。

改进能量分辨率后,物理学家就能够使用EELS,为应用于固态照明、热电电池和太阳能电池中的材料,绘制出材料的能量带隙和声子谱。通过使用单色仪(monochromator)等先进的电子光学仪器,将电子束的能量分布从现在的300毫电子伏特(millielectronvolt,meV)缩小到10meV甚至更小,就可以达到这一分辨率。SPM能够提供局部超导、能量带隙和分子振动或声子结构的信息。

对于电子和扫描探针显微镜,一些附加信号(如辐射光或电子流等)可能会被同时收集。因此,科学家可以测试,特定的晶格缺陷会不会抵消或增强固态照明或太阳能电池的效果,一个分子是如何与基质相互作用的,或者局部极化梯度如何影响铁电和极性材料的氧化态和磁性性能。
推动显微技术继续前进
为了达到费曼的目标,必须改进显微镜的光学、电子学和力学稳定性。我们需要重新设计具有更大光圈的校正器。

这其中的一个主要问题是,科学家不太清楚,在发展更高分辨率的显微镜时,他们究竟可以从中获益多少。像差校正器的销量很不错(每年能卖出几百个),因此制造商目前几乎没有动力去开发新功能。用于前沿研究的低噪声SPM,大部分是由实验室制造的。
但是5年内,通过大幅提高科研经费,把电子显微镜的空间分辨率提升一倍是很有必要的——就像在过去十年,美国和日本政府通过资助多项数百万美元的项目,使显微镜的分辨率提升了一倍一样。如果像差校正器也有这样的“待遇”,先进的新型显微镜会很快上市,成本大概为每个500万~1 000万美元。

达到这一目标的途径之一,是汇集整个科学界的智慧,共同讨论出新型显微镜的发展路线,从中找到可行、科学的实施方案。从简单地获取图像,到获得原子位置、键长和局部泛函的细节信息,要完成这种重要转变,需要新的方法论。大型的多维数据集,将会为数据的采集、存储和分析带来挑战,因此,我们也需要新的方法,从数据中发现新的知识,并把这些知识与相关理论联系起来。

科学界应该设立一个中心,来主持和协调高强度的计算服务,从而支持高分辨率显微技术的发展。共享化的网络环境可以促进研究人员相互合作,共同研究。通过共享数据,很多实验就不需要重复进行了,而且还能为其他使用相同分析工具的项目提供实验参照,比如研究经费高达1亿美元的美国材料基因组计划(Materials Genome Initiative)。

最后,套用一下费曼的话:在最小尺度,仍有许多需要观测的内容。

本文作者 斯蒂芬·J·彭尼库克是美国田纳西大学材料科学与工程系教授。

谢尔盖·V·加里宁是材料功能成像研究所(Institute for Functional Imaging of Materials)所长,同时也是美国橡树岭国家实验室纳米材料科学中心的子项目负责人。

(撰文 斯蒂芬·J·彭尼库克(Stephen J. Pennycook)  谢尔盖·V·加里宁(Sergei V. Kalinin) 翻译 刘夏)

逼近显微镜极限
在扫描隧道显微镜的镜头下,硫原子(黄色)在催化剂的铜原子层上“跳舞”。


逼近显微镜极限-1
扫描透射图像显示了单层石墨烯结构中的一个硅原子。
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文武行
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银虫 (小有名气)


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不错,挺有意思。进一步提高分辨率确实很有价值。
evertried.everfailed.tryagain.failagain.failbetter
2楼2015-12-18 16:53:15
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燕子flying

银虫 (小有名气)


小木虫: 金币+0.5, 给个红包,谢谢回帖
你好,我做的高分子糖类化合物,能用你说的设备检测键长和原子结构吗?
3楼2017-09-21 11:15:12
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