(Phys.org) - Une équipe de chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie et de l'Université de l'Ohio ont mis au point une technique puissante qui résout simultanément la caractérisation chimique et la topographie des matériaux à l'échelle nanométrique jusqu'à la hauteur d'un seul atome.

La technique combine les rayons X synchrotron (SX) et la microscopie à effet tunnel (STM). Dans les expériences, les chercheurs ont utilisé SX comme sonde et un embout intelligent nanofabriqué d'un STM comme détecteur.

En utilisant cette technique, les chercheurs ont détecté l'empreinte chimique d'amas de nickel individuels sur une surface de cuivre à une résolution latérale de deux nanomètres (nm), et à la sensibilité ultime à la hauteur d'un seul atome. En faisant varier l'énergie des photons, les chercheurs ont utilisé la différence de sections efficaces de photoabsorption pour le nickel et le substrat de cuivre pour imager chimiquement un nanocluster de nickel unique - ouvrant ainsi la porte à de nouvelles opportunités pour l'imagerie chimique de matériaux à l'échelle nanométrique. Jusqu'à maintenant, une limite spatiale d'environ seulement 10 nm était atteignable, et les chercheurs échantillonneraient simultanément une grande zone d'échantillonnage. Les chercheurs ont amélioré la résolution spatiale à 2 nm.

"L'imagerie avec une sensibilité chimique directe est un objectif de longue date depuis le développement des microscopes à effet tunnel dans les années 1980, " dit Volker Rose, un physicien de la Division des sciences des rayons X. "C'était très excitant lorsque nous avons obtenu le contraste élémentaire d'un matériau à une seule hauteur de couche atomique".

"C'est un mariage entre deux des instruments les plus puissants de la science des matériaux, " dit Saw-Wai Hla, chef de groupe matériaux et dispositifs électroniques et magnétiques au sein de la division Nanosciences &Technologies d'Argonne. « Nous avons maintenant un instrument qui peut effectuer les fonctions de STM et de rayons X dans un seul cadre, et par conséquent, il a un grand potentiel pour révolutionner la caractérisation des matériaux."

Pour mener l'expérience, les chercheurs ont utilisé la ligne de lumière 26-ID du Center for Nanoscale Materials (CNM) à l'Advanced Photon Source (APS), qui est équipé de deux dispositifs onduleurs colinéaires qui servent de source de rayons X et d'un monochromateur à double cristal qui sélectionne l'énergie des photons. Les rayons X ont été passés à travers un hacheur de faisceau pour allumer et éteindre rapidement le faisceau, puis illuminer la jonction pointe/échantillon dans le SX-STM. Cela a permis la détection de verrouillage très sensible des courants induits par les rayons X.

L'expérience a été menée à température ambiante, qui est bien adapté aux besoins de la plupart des personnes physiques, chimique, applications biologiques et nanomatériaux. L'équipe prévoit qu'une résolution spatiale encore plus élevée pourrait devenir possible avec un nouvel instrument actuellement en cours de développement.

"La prochaine étape sera d'étendre la nouvelle technique aux basses températures, " note Rose. "Nos mesures indiquent que la résolution atomique peut être atteinte à 5 K (environ moins 450 F)."

Cette recherche a été financée par le DOE Office of Science Early Career Research Program. L'APS et le CNM sont des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science situées à Argonne.

Nozomi Shirato, Marvin Cummings et Benjamin Stripe, post-doctorants à Argonne, et Heath Kersell et Yang Li, étudiants diplômés en physique à l'Université de l'Ohio, aidé à mener les expériences. Saw-Wai Hla et Volker Rose, d'Argonne, conçu l'expérience et Daniel Rosenmann, d'Argonne, fait le conseil intelligent. Curt Preissner, de la Division Support Ingénierie APS d'Argonne, fourni un soutien technique, et Jon Hiller, anciennement du groupe Centre de Microscopie Electronique du CNM, aidé à faire le conseil intelligent.