在扫描电子显微镜的漫长而令人自豪的历史上，材料表面独特的原子结构首次得到了解析。这一科学成像的里程碑是由一个多机构研究团队开发的一种新的分析技术实现的，该研究团队包括来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家。

“我们已经开发了一种合理直接的方法来确定表面的原子结构，这也解决了埋藏界面的非常具有挑战性的问题，”Jim Ciston说，他是美国能源部科学用户设施办公室分子铸造的国家电子显微镜中心(NCEM)的工作人员。“尽管表面原子只占材料中原子总数的很小一部分，但这些原子在材料与环境的化学相互作用中起着很大的作用。”

Ciston是该杂志上一篇描述这种新分析方法的论文的主要作者和通讯作者自然通讯．这篇文章的标题是“通过原子分辨二次电子成像的表面测定”。其他合著者有哈米什·布朗、阿德里安·阿方索、普拉提克·柯伊拉腊、科林·奥弗斯、林玉媛、铃木裕也、稻田裕美、朱一梅、莱斯·艾伦和劳伦斯·马克斯。

大多数材料通过其表面与其他材料相互作用，其表面在结构和化学性质上往往与材料的本体不同。许多重要的过程都发生在表面上，从用于从阳光和二氧化碳生成能量密集燃料的催化剂，到桥梁和飞机如何生锈。

“从本质上说，每一种材料的表面都可以作为自己的纳米材料涂层，可以极大地改变其化学和行为，”Ciston说。“为了理解这些过程并提高材料性能，了解原子在表面的排列方式至关重要。虽然现在有许多很好的方法可以在相当平坦的表面上获得这些信息，但当表面粗糙时，目前可用的工具所能揭示的信息都是有限的。”

“这项技术的美妙之处在于，我们可以同时成像表面原子和体原子，”作者之一、布鲁克海文国家实验室的科学家朱说。“目前没有任何现有的方法可以做到这一点。”

扫描电子显微镜(SEM)是研究表面的一种极好的技术，但通常只能提供纳米级分辨率的拓扑信息。一种非常有前途的新型扫描电子显微镜被称为“高分辨率扫描电子显微镜”，简称HRSEM，它将这种分辨率扩展到原子尺度，并同时提供表面和体原子的信息，通过二次电子保留了传统扫描电子显微镜的大部分表面灵敏度。

二次电子是高能电子束撞击材料的结果，导致材料中的原子以电子而不是光子的形式发射能量。由于二次电子的很大一部分是从物质的表面发射出来的，除了它的体积外，它们是获取原子表面结构信息的很好的资源。然而，HRSEM的表面选择性一直没有得到充分利用。

Ciston说:“尽管强大的仪器已经有好几年了，但由于无法直接独立解释HRSEM图像的表面和大块成分，材料科学应用的进展一直很缓慢。”“这一困难源于缺乏一个完整的理论框架来理解原子尺度上的SEM图像形成。”

他说，现有的二次电子图像模拟方法必须加以扩展，以考虑材料中价轨道的作用，以及介电屏蔽对从这些价轨道产生信号的效率的影响。

为了验证他们的新理论框架的有效性，Ciston, Allen, Marks和他们的同事们收集并详细分析了一系列钛酸锶表面原子特殊排列的HRSEM图像。这些实验与仔细的二次电子图像模拟、密度泛函理论计算和像差校正的高分辨率透射电子显微镜相结合。

“传统的透射电子显微镜图像很好理解，我们需要它来确认我们实际上有正确的结构，以及新的HRSEM理论是在正确的轨道上，”Ciston说。“总的来说，分析使我们能够毫不含糊地将表面信息与大块晶体的信息联系起来。”

计算结果与实验结果的良好一致性表明，HRSEM是一种非常有前途的表面结构测定工具，包括具有挑战性的体/表面配准问题。从他们的演示中，研究人员发现，先前报道的钛酸锶原子表面结构具有“6×2周期性”是错误的，未能在典型的高钛氧化物表面覆盖范围内检测到不寻常的7倍配位。

“我们是通过调查一种经过充分研究的材料开始这项工作的，但新技术如此强大，以至于我们不得不修改很多已经被认为是众所周知的东西，”Ciston说。

作者之一、澳大利亚墨尔本大学的科学家艾伦领导了这种新成像技术的理论和建模方面的工作，他补充说:“我们现在对图像的含义有了一个复杂的理解。”

也许，应用这种新的HRSEM表面分析技术的第一个目标将是纳米颗粒表面结构的研究。使用电子显微镜在平面视图(从上面看到)中成像纳米颗粒的表面结构是极具挑战性的，正如Ciston解释的那样，这一缺陷需要纠正。

他说:“平面视图几何结构很重要，因为表面结构通常会发展成多个域，我们需要确保我们不会通过多个结构和方向进行投影。”“这是一个非常具有挑战性的问题，因为扫描探针技术通常不能以原子分辨率处理纳米颗粒表面，而表面x射线衍射需要大的单晶表面。”

合著者、西北大学材料科学与工程教授马克斯说:“我们也对将这些技术应用于腐蚀问题的可能性感到非常兴奋。腐蚀对工业和军队的成本是巨大的，我们需要了解正在发生的一切，以生产更耐用的材料。”

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