New Views of Materials Through Aberration-Corrected Stem

Abstract

The successful correction of lens aberrations in scanning transmission electron microscopy has allowed an improvement in resolution by a factor of two in just a few years. The benefits for materials research are far greater than a factor of two might imply, because enhanced resolution also brings enhanced image contrast, and therefore a vast increase in sensitivity to single atoms, both for imaging and electron energy loss spectroscopy. In addition, aberration correction enables simultaneous, aberration-corrected, Z-contrast and phase contrast imaging, and brings a depth resolution at the nanometer level. It becomes possible to focus directly on features at different depths in the specimen thickness, and three-dimensional information can be extracted with single atom sensitivity. In conjunction with density functional and elasticity theory, these advances provide a new level of insight into the atomistic origins of materials properties. Several examples are discussed that illustrate the potential for applications, including the segregation of rare earth elements to grain boundaries in Si₃N₄ceramics, the quantitative analysis of strain-induced growth phenomena in semiconductor quantum wells, the explanation of the enhanced thermal stability of La-doped y-alumina as a catalyst support, and the origin of the remarkable catalytic activity of Au nanoparticles.

Mercek hatalarının taramalı geçirimli elektron mikroskoplarında, son birkaç yıl içerisinde, başarılı bir şekilde düzeltilmesi, mikroskobun ayırma gücünde iki kat iyileşmeye olanak tanımıştır. Bu gelişmenin, malzeme araştırmalarına katkısı iki katın çok daha üzerinde olacaktır, çünkü iyileştirilmiş ayırım gücü, görüntü kontrastını iyileştirecek ve bundan dolayı da atomların tek atom hassaslığında görüntülenmesinin yanı sıra elektron enerji kaybı spektroskopisine de olanak tanıyacaktır. Buna ek olarak, düzeltme, Z-kontrast ve faz kontrast görüntülerinin aynı anda, nanometre düzeyinde, yüksek ayırma gücünde kullanılmasına olanak verir. Çeşitli derinliklerdeki numune kalınlıklarında, yapıların direkt üzerine odaklanılmasıyla, tek atom düzeyindeki algılamayla, üç boyutta bilgi elde edilmesi mümkündür. Yoğunluk fonksiyonu ve elastisite teorisinin beraber kullanımı, malzeme özelliklerinin atomik yapıya bakarak belirlenmesinde yepyeni ilerlemeler sağlar. Si₃N₄ seramiklerinin tane sınırlarında nadir toprak elementlerinin segregasyonunu, yarı iletken kuvantum kuyularında, gerinim giderilmiş büyüme olayını, katalist desteği olarak kullanılan La-doplu y-aluminanın geliştirilmiş termal kararlılığını ve nano boyutlu altın tanelerinin elle tutulur katalitik aktivitelerini de içeren bir çok uygulama alanı tartışılacaktır.