Atomic resolution imaging of light elements in low-dimensional materials

Lichte en zware atomen samen in beeld gebracht

De microscopische wereld op de atomaire schaal gedraagt zich anders dan de wereld van ons dagelijks leven. Paradoxaal genoeg benutten we juist het microscopische gedrag in onze hedendaagse technologieën zoals smartphones, batterijen en zonnecellen, die allemaal gebruik maken van materialen met gecontroleerde nanometer- en atomaire structuren.

Om dergelijke technologieën te blijven ontwikkelen is het essentieel te begrijpen hoe en waarom dingen gebeuren op deze kleine lengteschalen. Hoewel de meest geavanceerde elektronenmicroscopen de atomaire structuur van vrijwel alle materialen kunnen afbeelden, missen de gebruikelijke beeldvormingstechnieken de gevoeligheid om lichte atomen naast zware atomen goed zichtbaar te maken. Als gevolg hiervan vormen de vele materialen die zowel lichte als zware atomen bevat, een groot onontgonnen gebied.

Sytze de Graaf werkte tijdens zijn promotieonderzoek aan het afbeelden van lichte en zware atomen in technologisch relevante materialen in een scanning transmissie elektronenmicroscoop, door gebruik te maken van een nieuwe gevoelige beeldvormingstechniek, genaamd integrated differential phase contrast. Films van de beweging van lichte atomen in een tweedimensionaal materiaal onthullen de evolutie van defectstructuren atoom voor atoom, en maken het mogelijk om de stralingsschade, veroorzaakt door botsingen met de snelle primaire elektronen van de elektronenmicroscoop, te kwantificeren.

Uiteindelijk is de ultieme gevoeligheid aangetoond door waterstofatomen (het lichtste element in het heelal) in titanium af te beelden. Zo laat De Graaf zien dat het hele periodiek systeem nu zichtbaar is voor de elektronenmicroscoop, waardoor onderzoek mogelijk is naar voorheen onontgonnen materiaalsystemen die lichte atomen bevatten. Dit zal leiden tot cruciale inzichten in de fysica en chemie van materialen die bijdragen aan technologische vooruitgang.

Het promotieonderzoek van Sytze de Graaf vond plaats bij de afdeling Nanostructured Materials and Interfaces van het Zernike Institute for Advanced Materials, dat het ook financierde. Hij werkt nu als Materials Specialist bij NTS Norma in Drachten.

Zie ook: Waterstof voor het eerst zichtbaar op grensvlak metaal - metaal hydride 

Proefschrift: http://hdl.handle.net/11370/3f4107e6-9908-445d-a7cc-0ce7cc553f5a