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

Knut W. Urban
Science 25 July 2008: Vol. 321. no. 5888, pp. 506 - 510
DOI: 10.1126/science.1152800
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