掃描電子顯微鏡的發(fā)展歷史漫長而光榮，高分辨率掃描電子顯微鏡使得材料表面的獨(dú)特原子結(jié)構(gòu)成像首次得以解決。這個(gè)歷史性的科學(xué)突破由多家機(jī)構(gòu)的研究人員共同研發(fā)，其中美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（DOEs Lawrence Berkeley National Laboratory ,Berkeley Lab）的科學(xué)家也參與其中。

　國家電子顯微鏡中心分子實(shí)驗(yàn)室（美國能源部用戶科學(xué)設(shè)備辦公室）的工作者Jim Ciston表示：我們已經(jīng)研發(fā)出一種合理的直接法確定表面的原子結(jié)構(gòu)，還能解決埋入界面這個(gè)挑戰(zhàn)性難題。雖然物質(zhì)中，表面原子占總數(shù)的極小部分，但正是這些原子驅(qū)動(dòng)大部分材料與環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)相互作用。

　描述這個(gè)新方法的論文發(fā)表在Nature Communications上，Ciston是該論文的首要作者，論文題目為Surface Determination through Atomically Resolved Secondary Electron Imaging.其他作者包括Hamish Brown、Adrian DAlfonso、 Pratik Koirala、 Colin Ophus、 Yuyuan Lin、Yuya Suzuki、 HiromiInada、 Yimei Zhu、 Les Allen和 Laurence Marks.

　大多數(shù)物質(zhì)通過表面與其他物質(zhì)接觸，大部分材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)都不同。大多數(shù)重要的反應(yīng)發(fā)生在物體表面，無論是利用催化劑從陽光和二氧化碳中獲得高能量燃料，還是橋梁和飛機(jī)外表生銹都是如此。

　Ciston表示：從本質(zhì)上講，每一種材料的表面就是其自身的納米材料涂層，材料外表可以改變材料的化學(xué)性質(zhì)，為了了解材料表面的反應(yīng)過程并改善物質(zhì)性能，有必要知道表面的原子排列結(jié)構(gòu)。盡管有很多方法了解材料平面的相關(guān)信息，但是對(duì)于粗糙表面，獲取信息的途徑卻是有限的。

　論文的另一作者、布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Zhu表示：高分辨率掃描電子顯微鏡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，我們可以同時(shí)對(duì)原子表面和原子整體進(jìn)行繪制，以往沒有一個(gè)方法能做到這一點(diǎn)，但我們的方法能夠做到。

　SEM是一種很好的技術(shù)，能夠研究材料表面，但通常提供的拓?fù)湫畔⒎直媛手荒苓_(dá)到納米級(jí)。一種被稱為高分辨率掃描電子顯微鏡（high-resolution scanning electron microscopy,HRSEM）技術(shù)應(yīng)用前景不可限量，它將掃描顯微鏡延伸到原子尺度，并同時(shí)提供原子的表面信息和原子整體信息的高清圖像，通過二次電子掃描，保留傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡的大部分表面靈敏度。

    　圖片說明：一種被稱為高分辨率掃描電子顯微鏡技術(shù)應(yīng)用前景不可限量，它將掃描顯微鏡延伸到原子尺度，并同時(shí)提供原子的表面信息和整體信息。圖片來源：phys.org
 

　二次電子是一個(gè)高度活躍的電子束撞擊材料并促使物質(zhì)原子釋放能量（以電子而不是光子的形式）所致。由于大部分的二次電子由表面和原子整體發(fā)射，因此，它們是獲得有關(guān)原子表面結(jié)構(gòu)信息的重要來源。但是， 高分辨率掃描電子顯微鏡的表面選擇性從來沒有得到充分利用。

　Ciston表示：盡管強(qiáng)大的工具已經(jīng)被用了好幾年，由于無法直接分別解釋高分辨率掃描電子顯微鏡的表面和整體結(jié)構(gòu)信息，材料科學(xué)應(yīng)用進(jìn)展依然緩慢，原因是缺乏充分發(fā)展的理論框架以原子尺度解釋掃描電子顯微鏡圖像形成原理。

　他指出，現(xiàn)有的二次電子圖像仿真方法必須擴(kuò)展到考慮材料的價(jià)軌道（valence orbitals），以及價(jià)軌道生成信號(hào)的掃描效率。

　為了驗(yàn)證新理論框架的有效性，Ciston, Allen, Marks以及他們的同事詳細(xì)收集和分析了一系列鈦酸鍶表面特定原子排列的高分辨率掃描電子顯微鏡圖像。這些實(shí)驗(yàn)經(jīng)過了仔細(xì)的二次電子圖像模擬，密度泛函理論計(jì)算，高分辨率透射電子顯微鏡的像差校正。

　Ciston表示：需要準(zhǔn)確理解傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡圖像，也需要借助傳統(tǒng)的透射電子顯微鏡圖像來證實(shí)我們的方法的結(jié)構(gòu)和高分辨率電子掃描顯微鏡理論是正確的。總的來說，分析結(jié)果顯示，我們既能得到材料表面信息，也能得到原子整體信息。

　高分辨率掃描電子顯微鏡的運(yùn)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間高度吻合，表明這種顯微鏡對(duì)于確定表面結(jié)構(gòu)來說是一個(gè)非常實(shí)用的工具，能解決表面信息或整體信息采集這個(gè)難題。從他們論證來看，之前關(guān)于鈦酸鍶原子表面結(jié)構(gòu)呈6 x2周期性變化這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，傳統(tǒng)技術(shù)未能檢測到氧化鈦表面高覆蓋率群體之間特殊的7倍協(xié)調(diào)關(guān)系。

　Ciston表示：我們通過調(diào)查研究材料開始了這項(xiàng)工作，但新技術(shù)太強(qiáng)大了，我們不得不修訂已經(jīng)被認(rèn)可的結(jié)論。

　Allen,澳大利亞墨爾本大學(xué)的一位科學(xué)家，領(lǐng)導(dǎo)了新成像技術(shù)的理論建模，他補(bǔ)充道：我們現(xiàn)在對(duì)圖像有了更加精確、更加全面的理解。

　也許，這種新的高分辨率掃描電子顯微鏡表面分析技術(shù)的第一個(gè)目標(biāo)將針對(duì)納米粒子的表面結(jié)構(gòu)。平面視圖表明，使用電子顯微鏡對(duì)納米顆粒表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像極具挑戰(zhàn)性，正如Ciston所說，這正是需要改善的地方。

　他說道：平面幾何很重要，因?yàn)楸砻娼Y(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)涉及多個(gè)領(lǐng)域。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)橥ǔ呙杼结樇夹g(shù)不能以原子分辨率處理納米粒子的表面，而表面x射線衍射需要很大的單晶表面。

　Marks,美國西北大學(xué)（Northwestern University）材料科學(xué)與工程教授說道：我們非常興奮，這個(gè)方法可用來解決一些腐蝕性問題。工業(yè)和軍事腐蝕損耗巨大，我們需要了解一切，以便研制出更耐腐蝕的材料。

責(zé)任編輯：田雙

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