Only Perception: 電子顯微術進入 picometer 尺度

2008-07-26

電子顯微術進入 picometer 尺度

Electron microscopy enters the picometer scale
http://www.physorg.com/news136127214.html

July 24, 2008

利用超高解析度電子顯術當中的新方法，（德國）Julich 科學家成功地在幾皮米（picometres，0.001 奈米）的尺度下，精確地測量原子的間隔。

這使得在顯微鏡中，直接在原子等級上找出影響材料物理特性之決定性參數，成為可能。來自於 Julich 研究中心的 Knut Urban，Helmholtz Association 的成員之一，在最新一期（7/25）的 Science 上報告。

物理領域中的研究進展與測量精確性的增加關連十分頻繁，那協助研究者追蹤自然的現象。在電子光學中新方法的協助下，研究者能夠利用顯微鏡精確測量原子的移位（displacements）到幾皮米，這種距離比原子的直徑要小 100 倍。

這是 Knut Urban（在 Julich 的 Ernst Ruska-Centre 的主任）在 Science 報告中所要強調的其中之一，成為一篇具像差修正透鏡之電子顯微鏡學十年回顧的一部份。

Julich 科學家研究，例如，氧化物超導體 YBa2Cu3O7 正交粒狀邊界（grain boundary）中原子的配置。

這些原子標誌著結晶狀材料兩區域間的邊界，其原子結構正好彼此以成 90 度的角度傾斜。憑藉在不同情況下所拍攝的顯微影像，物理學家成功地使用電腦計算電子之量子力學波函數，那成為測定原子確切地點的一種基礎。

在這麼做的情況下，那變得顯而易見：相對較重的原子鋇、銅以及釔有系統地在粒狀邊界中，從它們理想的位置移位幾皮米，而較輕的氧原子隨之移位。這提供超導電特性衰減的一種解釋，當電流流經這樣一種粒狀邊界時就能觀察到。若此超導體要被當成無損失的電流傳輸使用，這種現象是不受歡迎的。然而它對於所謂 SQUIDs（超導量子干涉裝置，別稱：烏賊）的建造則有所幫助，那利用這種擾動的磁場相依（magnetic field dependency）來量測最小磁場，例如測量腦波（magnetoencephalography，腦磁圖，MEG）。

幾皮米的移位決定了整個物理特性，這對於科技來說顯然很重要。另一個例子是，鈦酸鹽（titanates）材料的鐵電性。在這裡，當結晶體基石（單位晶胞，unit cells）中各類原子的電荷無法以必要的對稱性排列時，就無法相互補償。

因此，電偶極在單位晶胞內形成，那加到一個較大的結晶區域以形成所謂的極化（polarisation）。這用來寫入資訊位元。例子之一是 PbZr0.2Ti0.8O3，那用在晶片卡中以儲存資料。在新電子光學方法的協助下，原子移位能一個原子接著一個原子來測量，因而使局部極化的測定首度成為可能。

Knut Urban 解釋："這是材料新物理學的開始，那使研究者能在奈米範圍中透過原子間隔之高精確度測量，測定物理參數與特性。這也能夠對這些新特性如何能被操縱，以獲得新功能與更好的效能表現，提供線索。"

※ 相關報導：

＊ Studying Atomic Structures by Aberration-Corrected Transmission Electron Microscopy
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/321/5888