Pour la première fois dans la longue et tant vantée histoire de la microscopie électronique à balayage, la structure atomique unique à la surface d'un matériau a été résolue. Ce jalon de l'imagerie scientifique a été rendu possible grâce à une nouvelle technique d'analyse développée par une équipe multi-institutionnelle de chercheurs, y compris des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE).

"Nous avons développé une méthode raisonnablement directe pour déterminer la structure atomique d'une surface qui résout également le problème très difficile des interfaces enterrées, " dit Jim Ciston, membre du personnel scientifique du Centre national de microscopie électronique (NCEM) à la Fonderie moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Bien que les atomes de surface représentent une infime fraction du nombre total d'atomes dans un matériau, ces atomes sont à l'origine d'une grande partie des interactions chimiques du matériau avec son environnement."

Ciston est l'auteur principal et correspondant d'un article décrivant cette nouvelle méthode analytique dans la revue Communication Nature . L'article s'intitule "Détermination de surface par imagerie électronique secondaire à résolution atomique". Les autres co-auteurs sont Hamish Brown, Adrien D'Alfonso, Pratik Koirala, Colin Ophus, Yuyuan Lin, Yuya Suzuki, Hiromi Inada, Yimei Zhu, Les Allen, et Laurence Marc.

La plupart des matériaux interagissent avec d'autres matériaux à travers leurs surfaces, qui sont souvent différents à la fois dans la structure et la chimie de la masse du matériau. De nombreux processus importants ont lieu sur les surfaces, allant des catalyseurs utilisés pour la production de carburants à forte densité énergétique à partir de la lumière du soleil et du dioxyde de carbone, comment les ponts et les avions rouillent.

« En substance, la surface de chaque matériau peut agir comme son propre revêtement de nanomatériau qui peut considérablement modifier sa chimie et son comportement, " dit Ciston. " Pour comprendre ces processus et améliorer les performances des matériaux, il est essentiel de savoir comment les atomes sont disposés sur les surfaces. Bien qu'il existe maintenant de nombreuses bonnes méthodes pour obtenir ces informations pour des surfaces plutôt planes, lorsque les surfaces sont rugueuses, la plupart des outils actuellement disponibles sont limités dans ce qu'ils peuvent révéler."

"La beauté de cette technique est que nous pouvons imager des atomes de surface et des atomes en vrac simultanément, " dit le co-auteur Zhu, un scientifique du Brookhaven National Laboratory. "Actuellement, aucune des méthodes existantes ne peut y parvenir."

La microscopie électronique à balayage (MEB) est une excellente technique pour étudier les surfaces, mais ne fournit généralement des informations que sur la topologie à une résolution nanométrique. Une nouvelle version très prometteuse de la microscopie électronique à balayage, appelé "microscopie électronique à balayage à haute résolution, " ou HRSEM, étend cette résolution à l'échelle atomique et fournit des informations sur les atomes de surface et de masse simultanément, conservant une grande partie de la sensibilité de surface du MEB traditionnel grâce aux électrons secondaires.

Les électrons secondaires sont le résultat d'un faisceau d'électrons hautement énergisé frappant un matériau et provoquant l'émission d'énergie par les atomes du matériau sous forme d'électrons plutôt que de photons. Comme une grande partie des électrons secondaires sont émis par la surface d'un matériau en plus de sa masse, ils constituent de bonnes ressources pour obtenir des informations sur la structure de la surface atomique. Cependant, la sélectivité de surface du HRSEM n'a jamais été pleinement exploitée.

« Même si des instruments puissants existent depuis plusieurs années, les progrès dans les applications de la science des matériaux ont été lents en raison d'une incapacité à interpréter directement les composants de surface et de masse des images HRSEM de manière indépendante, " dit Ciston. " Cette difficulté découle de l'absence d'un cadre théorique entièrement développé pour comprendre la formation d'images SEM à l'échelle atomique. "

Les méthodes existantes de simulation d'images électroniques secondaires ont dû être étendues pour prendre en compte les contributions des orbitales de valence dans le matériau, il dit, et aussi l'effet du blindage diélectrique sur l'efficacité de génération du signal à partir de ces orbitales de valence.

Pour vérifier l'efficacité de leur nouveau cadre théorique, Ciston, Allen, Marks et leurs collègues ont collecté et analysé en détail une série d'images HRSEM d'un arrangement particulier d'atomes à la surface du titanate de strontium. Ces expériences ont été couplées à des simulations minutieuses d'images d'électrons secondaires, calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, et la microscopie électronique à transmission haute résolution avec correction d'aberrations.

« Les images de microscopie électronique à transmission conventionnelle sont bien comprises et étaient nécessaires pour confirmer que nous avions réellement la bonne structure et que la nouvelle théorie HRSEM était sur la bonne voie, " dit Ciston. " Pris collectivement, l'analyse nous a permis de référencer sans ambiguïté les informations de surface aux informations du cristal en vrac."

L'excellent accord entre les calculs et les résultats expérimentaux a montré que le HRSEM est un outil très prometteur pour la détermination de la structure de surface, y compris le sujet difficile de l'enregistrement en vrac/en surface. De leur démonstration, la collaboration a découvert que les structures de surface atomiques précédemment rapportées pour le titanate de strontium avec une "périodicité 6x2" sont fausses, n'ayant pas réussi à détecter une coordination sept fois inhabituelle au sein d'une couverture de surface typiquement élevée de groupes d'oxyde de titane.

"Nous avons commencé ce travail en enquêtant sur un matériau bien étudié, mais la nouvelle technique est si puissante que nous avons dû réviser une grande partie de ce qui était déjà considéré comme bien connu, " dit Ciston.

Co-auteur Allen, un scientifique de l'Université de Melbourne en Australie, qui a dirigé les aspects théoriques et de modélisation de la nouvelle technique d'imagerie, ajoute :"nous avons maintenant une compréhension sophistiquée de ce que signifient les images".

Peut-être que le premier objectif pour l'application de cette nouvelle technique d'analyse de surface HRSEM sera l'étude des structures de surface sur les facettes des nanoparticules. Les structures de surface des facettes de nanoparticules sont extrêmement difficiles à imager dans la vue en plan (vue d'en haut) en utilisant la microscopie électronique, un déficit qui doit être corrigé comme l'explique Ciston.

« La géométrie de la vue en plan est importante car les structures de surface développeront souvent plusieurs domaines, et nous devons être sûrs que nous ne projetons pas à travers de multiples structures et orientations, " dit-il. " C'est un problème très difficile car les techniques de sonde à balayage ne peuvent généralement pas traiter les surfaces de nanoparticules à une résolution atomique, et la diffraction des rayons X de surface nécessite surfaces monocristallines."

Dit le co-auteur Marks, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Northwestern University, "Nous sommes également très enthousiasmés par les possibilités de les appliquer aux problèmes de corrosion. Le coût de la corrosion pour l'industrie et l'armée est énorme, et nous devons comprendre tout ce qui se passe pour produire des matériaux qui dureront plus longtemps."