一種研究固體擴(kuò)散的新型同步加速器技術(shù)

理解和控制擴(kuò)散過程在原子尺度上的工作原理是材料合成中的一個(gè)重要問題。對(duì)于納米粒子，穩(wěn)定性，尺寸，結(jié)構(gòu)，組成和原子排序都取決于粒子內(nèi)部的位置，并且擴(kuò)散都會(huì)影響所有這些屬性并受其影響。更全面地了解納米晶體中擴(kuò)散的機(jī)制和影響將有助于開發(fā)受控合成方法以獲得特定的性質(zhì); 然而，用于研究固體中擴(kuò)散的常規(guī)方法都具有局限性。

鑒于需要對(duì)較慢動(dòng)力學(xué)敏感的成像技術(shù)，并允許在原子尺度和三維(3-D)中研究單個(gè)納米晶體中的擴(kuò)散行為，一組研究人員使用了布拉格相干衍射成像的應(yīng)變靈敏度(BCDI)研究鐵在高溫下原位擴(kuò)散到單個(gè)金納米晶體中。他們的工作最近發(fā)表在新物理學(xué)雜志上。

測量固體中的擴(kuò)散

用于研究固體中擴(kuò)散的直接方法(例如機(jī)械和濺射分析，二次離子質(zhì)譜和電子探針分析)僅提供宏觀量，擴(kuò)散系數(shù)。間接方法(如準(zhǔn)彈性中子能譜和穆斯堡爾譜)可以提供有關(guān)擴(kuò)散過程的微觀信息，但僅限于少量同位素和相對(duì)較快的擴(kuò)散系數(shù)值。用于固體中擴(kuò)散研究的現(xiàn)有方法也傾向于在許多結(jié)構(gòu)上平均信號(hào)，但是在納米晶體中，樣品異質(zhì)性是顯著的并且可能影響結(jié)果。透射電子顯微鏡(TEM)允許在單個(gè)納米顆粒中研究擴(kuò)散，但僅限于薄樣品(<100nm)，并且必要的樣品制備可能是破壞性的。

BCDI在單個(gè)納米晶體中在3-D中成像應(yīng)變的能力是非常有用且非常新穎的。這種顯影技術(shù)使用相干X射線，這允許單個(gè)納米晶體內(nèi)的應(yīng)變以3-D映射。研究人員測量晶體的衍射圖案，然后使用迭代相位檢索算法重建真實(shí)空間中晶體的三維結(jié)構(gòu)。重建的電子密度由幅度(通常稱為幅度)和相位組成，其對(duì)應(yīng)于晶體形態(tài)和應(yīng)變。BCDI的應(yīng)變靈敏度可用于研究原子擴(kuò)散到納米晶體中，因?yàn)轭A(yù)期擴(kuò)散會(huì)引起可測量的晶格畸變。

BCDI的金鐵納米粒子

在這項(xiàng)研究中，來自倫敦大學(xué)學(xué)院，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，鉆石和Harwell研究中心的研究人員在I07光束線上使用BCDI來研究金 - 鐵合金中的三維擴(kuò)散行為。金納米粒子具有有趣的光學(xué)性質(zhì)，并且它們的表面可以針對(duì)特定功能進(jìn)行調(diào)整。它們的生物相容性使其成為醫(yī)療應(yīng)用的明顯選擇。鐵可用于將有趣的磁性引入納米顆粒中，然而，它易于氧化并且在醫(yī)學(xué)背景下具有高細(xì)胞毒性。

金 - 鐵納米顆粒提供具有磁性和光學(xué)性質(zhì)的材料，其既具有生物相容性又可防止氧化。它們?cè)诖殴舱癯上?，體溫過高和靶向給藥方面具有潛在的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

該團(tuán)隊(duì)在鐵沉積之前和之后測量了各個(gè)金納米晶體的衍射圖案作為溫度和時(shí)間的函數(shù)。他們使用相位檢索算法來獲得納米晶體的真實(shí)空間重建，觀察在300-500℃的樣品溫度下鐵與金的合金化以及在600℃下從金中脫鐵合金化。他們發(fā)現(xiàn)納米晶體中合金區(qū)域的體積隨著鐵劑量的增加而增加。他們的結(jié)果表明，在鐵沉積后樣品相對(duì)快速地達(dá)到平衡，并且在鐵沉積之后在金納米晶體內(nèi)產(chǎn)生的相分布表明由于鐵的擴(kuò)散而導(dǎo)致收縮。

該研究證明了BCDI用于研究原子尺度的單個(gè)納米晶體中的3D擴(kuò)散和合金化行為的效用。它成功地研究了各種金納米晶體的結(jié)構(gòu)變化，這是由于鐵的擴(kuò)散和與鐵的合金化，在不同的溫度和金屬劑量下，具有皮米應(yīng)變分辨率。

主要作者Ana Estandarte補(bǔ)充說：“BCDI是一種可以應(yīng)用于各種材料的技術(shù)，它能夠在動(dòng)態(tài)過程中以非破壞性的方式檢查原子尺度的材料中的3-D應(yīng)變，這是非常有用的。在這項(xiàng)研究中，納米晶體在擴(kuò)散過程中的變化，我們希望將來應(yīng)用該技術(shù)來研究電池材料的過程。“