3,769 Атомы с первого взгляда: исследователям удалось наиболее подробно изучить внутреннюю часть материала на сегодняшний день. Впервые они точно нанесли на карту положение тысяч отдельных атомов. Им даже удалось с атомарной точностью обнаружить единственный дефект в образце вольфрама. В будущем это откроет совершенно новые возможности для адаптации, а также тестирования материалов, сообщают исследователи в специализированном журнале «Nature Materials».
В 1959 году физик Ричард Фейнман поставил перед исследовательским сообществом задачу, которая в то время была неразрешимой: определить трехмерное положение отдельных атомов в материале. Уже тогда структуру кристаллических твердых тел можно было определить с помощью рентгеновской кристаллографии. Но дифракционные картины этого метода показывают только приблизительное положение сразу нескольких миллионов атомов.
«Положения атомов, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии, представляют собой лишь среднее значение многих основных ячеек в кристалле», - объясняют Руй Сюй из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и его коллеги. И наоборот, отдельные атомы можно отобразить с помощью сканирующей туннельной микроскопии или электронного микроскопа, но только в двух измерениях - в виде поверхностного слоя. Таким образом, задача Фейнмана оставалась нерешенной - до сих пор.
Точное изображение 3769 отдельных атомов
Сюй и его коллеги впервые обнаружили тысячи отдельных атомов в образце вольфрама. Их новый метод отображает положение атомов с точностью до 19 пикометров - это соответствует одной триллионной части метра и меньше диаметра атома водорода. Исследователям даже удалось идентифицировать один отсутствующий атом в материале, так называемый точечный дефект.
Они смогли получить этот первый острый взгляд на атомное расположение материала, используя удивительно простую модификацию обычной просвечивающей электронной микроскопии. Они поместили небольшой образец вольфрама в микроскоп и просканировали его не один раз, а 62 раза, каждый раз под небольшим углом. Используя специальное программное обеспечение, они рассчитали точную трехмерную модель 3769 атомов в образце вольфрама из этих отдельных изображений.
Томография под электронным микроскопом
В принципе, все это работает как рентгеновский томограф - только в электронном микроскопе и, следовательно, с атомарным разрешением. Трехмерная модель точно воспроизвела расположение атомов вольфрама. Это показало, что они лежат в девяти слоях и что шестой слой содержит точечный дефект, сообщают исследователи. Это может быть недостающий атом в решетке или более мелкий примесный атом в этой точке.
«Такие точечные дефекты влияют на свойства материала и поэтому играют важную роль», - объясняет старший автор Jianwei Miao из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Теперь нам удалось впервые экспериментально определить такой точечный дефект внутри материала и в трех измерениях».
Крупный прорыв
По словам исследователей, это важный прорыв. Поскольку знание наличия и точного положения точечных дефектов в материале не только влияет на стабильность, оно также может помочь в разработке индивидуальных полупроводников для электроники и, например, новых типов компьютерной памяти.
«Эта работа вызовет сдвиг парадигмы в том, как материалы характеризуют в 21 веке», - говорит Мяо. «Это может коренным образом изменить наше понимание свойств и функциональности материалов.«NatureMaterials, 2015; doi: 10.1038/nmat4426)