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热点技术丨iDPC成像技术简介及应用进展

赛默飞电镜(原FEI)发布时间:2020/02/12 15:33 点击: 加载中..

作为科学研究的利器,新的技术手段革新,往往让科研工作如虎添翼。在电镜领域,球差校正器的横空出世,直接将(S)TEM的分辨率推向亚埃级尺度。这使得科学家对各类单原子图像的表征变得“容易”,学术乃至工业领域,系列相关成果报道一时涌现。

技术背景

随着对球差校正(扫描)透射电镜应用的逐步“大众化”(中国目前已配制超过120台),“能”观察到原子及相关信息已经逐渐不能满足前沿科学家的需求,能观察到“更多”原子及相关信息成为他们当下的夙愿。

而实现“更多”,首先就面临两个技术瓶颈:


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一是现有STEM技术无法观察到“更多”轻元素原子,实现轻、重原子同时成像。比如广泛应用的HAADF探头由于侧重于采集高角卢瑟福散射信号,低角散射信号过低,无法“看到”C、N、O等轻原子;STEM ABF像可以“看到”,但又带来ABF图像无法直接解读需要模拟计算确认、对样品厚度要求高、图像信噪比不佳等问题。而在某些研究中,观察到轻原子是至关重要的,如研究轻元素原子空位和缺陷就是保证铁电铁磁陶瓷和高温超导体性能的关键因素。

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二是对电子束流敏感的材料成像无法观察到“更多”关键信息。一些重要的功能材料对电子束非常敏感,常常通过降低电子束束流(剂量)的方法实现STEM成像,但这种操作难度大,同时图像信噪比低,难以获得“更多”关键信息。

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时下火热的iDPC技术

在以上背景下,针对用户“更多”原子信息需求,赛默飞世尔科技独家推出在电镜上加载iDPC这一STEM成像模式技术,成功解决了观察“更多”的两个技术瓶颈。此技术也为诸多科学家带来福音,迅速得到大家的追捧,并协助获得诸多新的科研成果并顶刊报道。

iDPC成像技术

 关于iDPC技术


1970年代的一个理论帮了大忙,便是“会聚束衍射花样的质心在样品的不同区域会发生移动,移动的方向和幅度与样品的投影内势分布具有线性相关性,而投影内势又与样品原子信息直接相关”。iDPC技术则巧妙借助多分区探头和优化算法,实现了将花样质心的移动信息间接展现出样品的原子位置信息。由于花样质心移动信息通过STEM扫描模式即可获取,iDPC便使球差校正扫描透射电镜捕获原子信息的能力得到“放大”。

同时,“放大”使得iDPC技术可实现对材料中轻、重元素原子同时成像,并大幅度改善了对电子束敏感材料的成像质量。

iDPC技术应用案例1

实现轻(氧原子)

重原子同时成像

2019年9月,清华大学材料学院朱静教授课题组、物理系段文晖教授课题组及薛其坤教授课题组在材料领域权威期刊《Advanced Functional Materials》上联合发表了题为“掺杂氧原子在铋锶钙铜氧超导氧化物中的直接观察”的研究成果。研究利用iDPC技术,直接在原子尺度上观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中掺杂氧原子的位置(如下图所示)。结果表明,室温下掺杂氧原子位于BiO和SrO原子层中间的张应力区域,并呈现不均匀分布,有的区域出现成对氧原子,有的区域呈现单个氧原子。该工作为超导机制的理解提供了帮助。

超导Bi-2212中掺杂氧原子的iDPC像 (a)Bi-2212[010]带轴的iDPC像 (b, c)Bi2212的原子结构模型和基于原子模型的像模拟 (d, e)掺杂氧原子在不同位置的不均匀分布。

iDPC技术应用案例2

对电子束敏感敏感多孔材

客体分子高分辨成像

2019年11月,阿卜杜拉国王科技大学韩宇教授团队与浙江工业大学朱艺涵教授、中科院大连化物所的郭鹏研究员,重庆大学的张大梁教授等人合作在Angew发表成果,利用最新的iDPC高分辨成像技术,在实空间内直接观察到了分子筛中的客体分子,实现了对敏感多孔材料中客体分子的高分辨成像,为研究电子束敏感的孔材料中主体-客体在原子级分辨率的相互作用提供了一种新的方法,具有重要意义。

吸附了 VOC 的 Silicalite-1分子筛:(左) HAADF 图像;(右)iDPC 图像。

小结

由于iDPC技术从根本上解决了STEM获得“更多”原子信息的两项瓶颈,巧妙设计操作上只需首先在STEM模式下对样品进行扫描,然后对获取移动数据二维积分,进而获得原子信息。随着iDPC技术迅速成为学术领域技术热点,以及该技术在轻元素占位、二维材料、分子筛、超导体等领域的应用潜力,工业市场分享这项优秀技术的应用也将为时不远。


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