Fig. 1. Coupe transversale localisée aux rayons X d'un îlot de Ni. (a) Vue en perspective tridimensionnelle d'un scan topographique STM (110 × 60 nm2, -1 V, 1 nA). (b) Profil de hauteur de la ligne montrée dans le scan topographique. (c) Coupe transversale aux rayons X d'un seul îlot de Ni obtenue à partir de I(x–ray, échantillon) (en haut) et I(radiographie, pointe) (en bas). (d) Échantillon de courant I (rayons X, échantillon) ne fournit pas de contraste chimique, lorsque l'énergie des rayons X (E =8,25 keV) est inférieure au seuil Ni K (8,33 keV). (e) L'île Ni sur la terrasse Cu (111) et les îles le long du bord de l'escalier Cu deviennent clairement visibles pour les énergies de photons au-dessus du bord Ni K, ici E =8,55 keV. Crédit :N. Shirato et al., Nano. Lett.
(Phys.org) —Au cours des trois dernières décennies, La microscopie à effet tunnel (STM) est rapidement devenue une composante majeure de la boîte à outils de la physique de la matière condensée. Alors que la STM peut fournir de vastes quantités de données sur l'électronique, de construction, et les propriétés magnétiques des matériaux à résolution atomique, son talon d'Achille est son incapacité à caractériser les espèces élémentaires. Mais une équipe du Laboratoire national d'Argonne et de l'Université de l'Ohio a trouvé un moyen de contourner cette limitation en combinant STM avec la polyvalence spectroscopique des rayons X synchrotron, réaliser une empreinte chimique d'agrégats de nickel individuels sur une surface de cuivre à une résolution de 2 nm, créer un outil d'imagerie à l'échelle nanométrique puissant et polyvalent avec des promesses et un potentiel passionnants pour les sciences des matériaux et biologiques. Leurs travaux ont été publiés dans Lettres nano .
Travaillant à la ligne de faisceau 26-ID du Center for Nanoscale Materials (CNM)/X-ray Science Division de la source de photons avancée du département de l'Énergie des États-Unis, les chercheurs ont profité de quelques nouvelles innovations technologiques développées par les chercheurs d'Argonne.
Cependant, l'équipe a dû surmonter certains obstacles expérimentaux pour combiner la STM avec les rayons X synchrotron. La résolution et la sensibilité du STM peuvent être affectées par des électrons photoéjectés de l'échantillon interférant avec la mesure des effets tunnel.
Les chercheurs d'Argonne ont inventé et breveté une "pointe intelligente" nanofabriquée pour le microscope à effet tunnel qui focalise fortement la détection des électrons uniquement sur ceux collectés à la pointe de balayage où il interagit avec l'échantillon, en ignorant les électrons de fond des parois latérales de la pointe. Les différents revêtements de la pointe intelligente ont été cultivés au CNM, puis l'apex de la pointe a été exposé via un broyage par faisceau d'ions focalisé effectué au Centre de microscopie électronique du CNM (EMC). (L'APS, CNM, et EMC à Argonne sont des installations pour les utilisateurs de l'Office of Science.)
Un schéma de la configuration d'imagerie, avec la "smart tip" STM et une image d'amas Ni (vert) sur la surface Cu (rouge). La pointe intelligente se compose d'une pointe conductrice pointue (verte), revêtu coaxialement d'une couche isolante (gris), une fine couche de graines (bleue), et un blindage extérieur conducteur (or).
L'équipe a également développé un circuit de filtrage qui sépare les données chimiques et magnétiques des courants induits par les rayons X et les données topographiques des effets tunnel conventionnels en deux canaux, leur permettant d'être enregistrés séparément sans interférence mutuelle.
En utilisant la résolution et la sensibilité nettement améliorées rendues possibles par ces avancées en microscopie à effet tunnel par rayons X synchrotron (SX-STM), l'équipe expérimentale de l'université d'Argonne/Ohio a analysé des amas de nickel déposés sur une surface de cuivre. D'habitude, parce que les empreintes chimiques utilisant des rayons X sont basées sur des sections efficaces de photoionisation, ces mesures sont moyennées sur une surface et une profondeur assez larges. Mais la nouvelle technique a permis d'imager et d'obtenir une section efficace de photoionisation d'un seul amas de nickel sur la surface de l'échantillon avec une résolution de 2 nm.
« Nous avons démontré un record mondial dans la résolution spatiale de l'imagerie chimique en utilisant la microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron, " dit Saw-Wai Hla, co-auteur de l'article de Nano Letters.
"Cela a un impact énorme pour de nombreux domaines scientifiques, y compris la science des matériaux, chimie, et matériaux énergétiques, ", a déclaré le co-auteur Volker Rose.
Cette résolution remarquable et l'empreinte chimique précise des nanoclusters de nickel individuels étaient également clairement évidentes dans les images topographiques de la surface de l'échantillon, jusqu'à la hauteur d'un seul atome. Les expérimentateurs notent que l'épaisseur des amas individuels semble n'avoir aucun effet sur l'intensité de contraste de leur signature chimique. Ils suggèrent que parce que le tunnel est un effet local sensible uniquement à la couche supérieure de matériaux, ce phénomène tel qu'observé topographiquement résulte de l'effet tunnel de photoélectrons excités aux rayons X à partir d'états entre le niveau de Fermi et le travail de sortie.
Alors que les expériences actuelles ont été menées à température ambiante, les chercheurs prévoient d'obtenir une résolution encore meilleure dans le SX-STM à des températures bien plus basses.
Même sous sa forme actuelle, les techniques démontrées ici peuvent révolutionner l'imagerie à l'échelle nanométrique dans des domaines bien au-delà de la science des matériaux, y compris l'électronique et la biologie. En surmontant les limites inhérentes à la fois à la microscopie STM et à rayons X, ce nouveau travail a également combiné les forces de chacun pour créer un outil d'imagerie puissant et polyvalent avec une promesse et un potentiel passionnants.
