Впервые физики сумели отснять атомы лёгких элементов

Отдельные атомы бора, углерода, азота и кислорода, расположенные в монослое нитрида бора, были увидены и идентифицированы при помощи усовершенствованного электронного микроскопа. Достижение записала на свой счёт научная группа STEM американской национальной лаборатории в Окридже.

Каждая ячейка гексагональной структуры нитрида бора (обведена зелёным кружком) состоит из трёх ярких атомов азота и трёх более тёмных атомов бора (фото Ondrej L. Krivanek et al./Nature).

О деятельности группы, её технике и успехах мы рассказывали очень подробно ещё несколько лет назад. На этот раз учёные использовали Z-контрастный сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп с коррекцией аберрации Nion UltraSTEM.

Он был настроен на генерацию очень тонкого луча при умеренном напряжении в 60 киловольт, что идёт вразрез традиции постоянного наращивания данного параметра в электронных микроскопах. Такое сочетание позволило получить чёткое изображение при одновременном снижении помех (влиянии прибора на образец, особенно заметное для лёгких атомов).

Тот же снимок, что и под заголовком, но после коррекции искажений. Внизу: пара графиков интенсивности изображения по линиям X и Y с отмеченными пиками отдельных элементов (иллюстрации Ondrej L. Krivanek et al./Nature).

По словам учёных, эта работа стала первым случаем, когда были отсняты и химически идентифицированы все атомы в непериодической структуре, состоящей из нескольких разных элементов, что открывает новые возможности для анализа экспериментальных материалов.

Азот и бор составляли основу опытного образца, а другие атомы являлись дефектами замещения. Исследователи распознали три вида дефектов: места в структуре, в которых углерод заменял атом бора, углерод заменял азот и кислород заменял азот. Авторам опыта удалось даже разрешить искажения величиной около 0,1 ангстрема в решётке нитрида бора, вызванные этими заменами. Искажения оказались точно такими, как предсказывали теоретические расчёты.

Статья авторов удивительного эксперимента удостоилась обложки Nature. На рисунке, полученном после фотографирования образца, атомы углерода обозначены жёлтым цветом, кислород – синим, бор – красным и азот – зелёным.
Ниже: пример снимков, также полученных на Nion UltraSTEM при "щадящем" напряжении 60 киловольт, они показывают отдельные атомы в массиве LaMnO₃ (иллюстрации Nature, STEM Group/Oak Ridge National Laboratory).