Des chercheurs de l'Université de Californie, Irvine a développé une nouvelle méthode de microscopie électronique à transmission à balayage qui permet de visualiser la densité de charge électrique des matériaux à une résolution inférieure à l'angström.

Avec cette technique, les scientifiques de l'UCI ont pu observer la distribution des électrons entre les atomes et les molécules et découvrir des indices sur les origines de la ferroélectricité, la capacité de certains cristaux à posséder une polarisation électrique spontanée qui peut être commutée par l'application d'un champ électrique. La recherche, qui est mis en évidence dans une étude publiée aujourd'hui dans La nature , a également révélé le mécanisme de transfert de charge entre deux matériaux.

"Cette méthode est une avancée en microscopie électronique - de la détection d'atomes à l'imagerie des électrons - qui pourrait nous aider à concevoir de nouveaux matériaux dotés des propriétés et fonctionnalités souhaitées pour les appareils utilisés dans le stockage de données, conversion d'énergie et calcul quantique, " a déclaré le chef d'équipe Xiaoqing Pan, Chaire d'ingénierie Henry Samueli de l'UCI et professeur de science et ingénierie des matériaux et de physique et astronomie.

Utilisant un nouveau microscope électronique à balayage à transmission à correction d'aberration avec une sonde électronique fine mesurant un demi-angström et une caméra de détection d'électrons rapide et directe, son groupe a pu acquérir une image raster 2-D des motifs de diffraction d'une région d'intérêt dans l'échantillon. Tel qu'obtenu, les jeux de données sont en 4-D, car ils consistent en des diagrammes de diffraction 2D à partir de chaque emplacement de sonde dans une zone de balayage 2D.

"Avec notre nouveau microscope, nous pouvons régulièrement former une sonde électronique aussi petite que 0,6 angström, et notre caméra haute vitesse à résolution angulaire peut acquérir des images STEM 4-D avec 512 x 512 pixels à plus de 300 images par seconde, " dit Pan. " En utilisant cette technique, nous pouvons voir la distribution de charge électronique entre les atomes dans deux oxydes de pérovskite différents, titanate de strontium non polaire et ferrite de bismuth ferroélectrique."

La densité de charge électronique dans les matériaux en vrac peut être mesurée par des techniques de diffraction des rayons X ou des électrons en supposant une structure parfaitement exempte de défauts dans la zone éclairée par le faisceau. Mais, Pan a dit, il reste un défi dans la résolution de la densité de charge électronique dans les matériaux nanostructurés constitués d'interfaces et de défauts.

"En principe, le champ électrique local et la densité de charge peuvent être déterminés par imagerie par diffraction électronique à l'aide d'un microscope électronique à balayage à transmission à correction d'aberration avec une sonde électronique inférieure à l'angström, " dit-il. " En pénétrant à travers un spécimen, le faisceau d'électrons interagit avec le champ électrique interne du matériau sur son trajet, résultant en un changement de sa quantité de mouvement reflété dans le diagramme de diffraction. En mesurant ce changement, le champ électrique dans une région locale de l'échantillon peut être délimité, et la densité de charge peut être dérivée."

Pan a ajouté que bien que ce principe ait été démontré dans des simulations, aucune expérience n'a été concluante jusqu'à présent.

"Les cartes de densité de charge électronique obtenues à l'aide de la méthode STEM 4-D correspondent aux résultats théoriques des calculs du premier principe, " a déclaré l'auteur principal Wenpei Gao, chercheur postdoctoral UCI en science et ingénierie des matériaux. "L'étude de l'interface ferroélectrique/isolant entre la ferrite de bismuth et le titanate de strontium à l'aide de cette technique montre directement comment les caractéristiques de la structure atomique polaire du composé de bismuth fuient à travers l'interface, apparaissant dans le titanate de strontium normalement non polaire. Par conséquent, l'interface héberge des électrons en excès confinés dans une petite région de moins de 1 nanomètre d'épaisseur."

Pan a déclaré que ce projet donne aux scientifiques et aux ingénieurs des matériaux de nouveaux outils pour évaluer les structures, défauts et interfaces dans les matériaux fonctionnels et les nanodispositifs. Il a noté qu'il serait bientôt possible d'effectuer une cartographie à haut débit de la densité de charge des matériaux et des molécules à ajouter à la base de données des propriétés contribuant à l'initiative Materials Genome.

« Alors que la microscopie électronique passe de l'imagerie des atomes à la sonde des électrons, cela conduira à de nouvelles compréhensions et découvertes dans la recherche sur les matériaux, " a déclaré le co-auteur Ruqian Wu, professeur UCI de physique &astronomie, qui a dirigé les travaux théoriques de l'étude. "La capacité d'imager la distribution de la densité de charge autour des atomes à proximité des interfaces, les joints de grains ou d'autres défauts planaires ouvrent de nouveaux domaines pour la microscopie électronique et la science des matériaux."