(Figure du haut) Modèles de diffraction du faisceau d'électrons sélectionnés qui ont été utilisés pour former la structure moléculaire illustrée en bas. (Figure du bas) La carte 4D-STEM trace la structure moléculaire d'un film mince de petites molécules. (Crédit :Colin Ophus/Laboratoire de Berkeley)
On peut voir directement le monde caché des atomes grâce aux microscopes électroniques, développé pour la première fois dans les années 1930. Aujourd'hui, microscopes électroniques, qui utilisent des faisceaux d'électrons pour éclairer et grossir un échantillon, sont devenus encore plus sophistiqués, permettant aux scientifiques de prendre des instantanés du monde réel de matériaux avec une résolution inférieure à la moitié du diamètre d'un atome d'hydrogène.
Maintenant, des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie repoussent encore plus loin les limites de la microscopie électronique grâce à une technique puissante appelée 4-D-STEM, un terme qui signifie « raster 2-D de motifs de diffraction 2-D en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage ».
Leurs découvertes, signalé dans Communication Nature et Matériaux naturels , montrer pour la première fois comment le 4-D-STEM peut fournir un aperçu direct des performances de n'importe quel matériau, du verre métallique résistant aux films semi-conducteurs flexibles, en identifiant des « quartiers » atomiques spécifiques qui pourraient compromettre les performances d'un matériau, ou peut-être ont le potentiel de l'améliorer.
« Historiquement, les microscopes électroniques ont été très utiles à haute résolution pour l'imagerie de matériaux durs, " a déclaré l'auteur Andew Minor, qui dirigeait les études. Minor est le directeur des installations du Centre national de microscopie électronique (NCEM) de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab; un membre de la Division des sciences des matériaux au Berkeley Lab; et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley.
"Maintenant, dans ces études, nous avons montré que lorsque le 4-D-STEM est déployé avec nos détecteurs à grande vitesse, algorithmes personnalisables, et de puissants microscopes électroniques, la technique peut aider les scientifiques à cartographier les régions atomiques ou moléculaires dans n'importe quel matériau, même sensible aux faisceaux, des matériaux souples - qu'il n'était pas possible de voir avec les techniques précédentes, " il a dit.
Cartographier les voisinages atomiques dans les matériaux mous
Balayage 4D-STEM d'un semi-conducteur organique à petites molécules avant l'ajout de DIO. Les diagrammes de diffraction montrent l'orientation des arrangements moléculaires dans le film. (Crédit :Colin Ophus/Laboratoire de Berkeley)
Dans le domaine de l'électronique flexible et du photovoltaïque organique, les scientifiques utilisent généralement les rayons X pour caractériser la structure moléculaire d'un matériau, car le faisceau d'électrons dans un microscope électronique détruirait le matériau.
"Mais les rayons X ne peuvent pas être focalisés à la taille d'atomes isolés, " dit Minor. " Quand il s'agit d'atteindre la résolution atomique, rien ne vaut les électrons. Vous pouvez focaliser les électrons sur un très petit point, et les électrons réagissent très fortement avec les matériaux. C'est bien si vous voulez beaucoup de signal, mais c'est mauvais si vous avez un matériau sensible aux faisceaux."
Dans leurs Matériaux naturels étudier, Minor et ses co-auteurs ont démontré comment les détecteurs à grande vitesse qui capturent les atomes en action jusqu'à 1, 600 images par seconde avec 4-D-STEM ont permis des films moléculaires sans précédent d'un semi-conducteur organique à petite molécule. Le film a montré comment l'ordre moléculaire dans le semi-conducteur, souvent utilisé dans les cellules solaires organiques, changé en réponse à un additif de traitement commun (appelé DIO ou 1, 8-diiodooctane) qui est connu pour améliorer l'efficacité des cellules solaires.
En menant le Matériaux naturels étude dans le cadre du programme de microscopie électronique et diffusion de la matière molle du DOE, les expériences 4-D-STEM ont permis à Minor et à ses co-auteurs de cartographier l'orientation des grains de molécules ordonnées au sein du matériau, qui semblent se croiser, chevauchement des routes reliant les quartiers adjacents.
De tels détails, qu'il n'est pas possible d'observer avec les STEM classiques, sont importantes parce que les limites à faible angle, comme les longues, tunnels rectilignes à travers lesquels une voiture peut accélérer sans entrave à grande vitesse - sont nécessaires pour que les électrons se couplent et génèrent une charge dans un semi-conducteur fonctionnel.
Grâce à cette nouvelle technique puissante, les chercheurs ont clairement démontré que l'additif DIO modifie considérablement la nanostructure du matériau, et que cette structure de grains qui se chevauchent est la clé de l'efficacité accrue observée dans les cellules solaires fabriquées à partir de ces matériaux, a expliqué Colin Ophus, chercheur au NCEM.
Balayage 4D-STEM d'un semi-conducteur organique à petites molécules après l'ajout de DIO. (Crédit :Colin Ophus/Laboratoire de Berkeley)
"La raison pour laquelle il est important de voir la distribution de l'orientation d'un matériau est que ces limites médient fortement la conductivité électrique du matériau, " dit-il. " Si un électron heurte un mur ou un joint de grain, il a de grandes chances de rebondir, ce qui compromet ses performances."
Construire de meilleurs matériaux, atome par atome
Dans leurs Communication Nature étudier, réalisée dans le cadre du programme Comportement Mécanique des Matériaux du DOE, Mineur, Ophe, et les co-auteurs ont utilisé le 4-D-STEM pour identifier les « maillons faibles » à l'échelle atomique dans le verre métallique en vrac qui conduisent finalement à des fractures sous contrainte.
Les métaux réguliers sont des matériaux cristallins, ce qui signifie que leurs atomes sont arrangés dans un parfait, motif répétitif, comme des balles de tennis parfaitement empilées à l'intérieur d'un cube afin qu'elles remplissent l'espace. Lorsqu'un atome manque, un tel défaut est évident au microscope électronique, ce qui permet de prévoir plus facilement où un matériau pourrait être compromis.
Mais les verres métalliques en vrac (BMG) sont amorphes, ce qui signifie que leurs atomes forment un motif désordonné, comme un ensemble aléatoire, tas instable de balles de tennis, balles de golf, et balles de baseball jetées dans une boîte. Et cette structure imprévisible est ce qui rend difficile pour les scientifiques des matériaux de comprendre où ces défauts atomiques pourraient se cacher car ils compromettent la ténacité d'un matériau.
En utilisant 4-D-STEM avec des détecteurs d'électrons à grande vitesse, les chercheurs ont mesuré l'espacement moyen entre les atomes dans certaines régions du matériau BMG, et enregistré la « contrainte » ou le changement dans cet espacement lorsque le matériau est tiré jusqu'à ce qu'il se brise.
Les chercheurs du Berkeley Lab ont utilisé 4D-STEM pour mesurer directement les changements nanostructuraux dans le verre métallique en vrac lorsqu'il se brise. (Crédit :Berkeley Lab)
Ils ont montré que 4-D-STEM, lorsqu'il est combiné avec des détecteurs d'électrons à grande vitesse et des algorithmes rapides pour analyser des centaines de milliers de motifs de diffraction dans un échantillon, peut identifier les précurseurs dans la structure atomique du matériau qui provoquent sa défaillance, dit Ophus.
Se concentrer sur l'avenir du 4-D-STEM
Au cœur de ce mariage entre les détecteurs à grande vitesse et les microscopes 4-D-STEM se trouvent des algorithmes de filage fin, qu'Ophus personnalise pour chaque utilisateur exécutant des expériences 4-D-STEM dans l'installation NCEM de la fonderie.
"Nous exécutons certains des codes de simulation 4-D-STEM les plus rapides au monde, et chaque projet utilisateur à la Fonderie apporte des défis uniques, nécessitant des mesures des propriétés de différents matériaux à partir de nombreux échantillons différents, " dit Ophus. " Mais nous savons que tout le monde ne peut pas écrire du code, nous aidons donc nos utilisateurs en développant des écrits personnalisés, un logiciel convivial qui leur permet de simuler et de modéliser des matériaux du monde réel à ces échelles sans précédent."
Ophus a ajouté que les utilisateurs peuvent bénéficier de leurs scripts personnalisés même sans venir au Berkeley Lab. Lui et Mineur, en collaboration avec des chercheurs de la division de recherche informatique du Berkeley Lab et du Toyota Research Institute, développent un open-source, Un logiciel basé sur Python pour que la puissance du 4-D-STEM soit disponible pour des centaines d'institutions au lieu d'une poignée.
Une fois complété, leur logiciel open source, couplé à la nouvelle caméra 4D ultrarapide de Berkeley Lab, ouvrira la voie à l'imagerie des matériaux au niveau atomique ou moléculaire au fur et à mesure qu'ils se transforment en réponse à des contraintes à une résolution encore plus élevée et à une vitesse plus rapide, dit Mineur. Cette caméra est actuellement le détecteur d'électrons le plus rapide au monde, capturer des instantanés atomiques à 87, 000 images par seconde :environ 50 fois plus rapide que l'état de l'art actuel.
