物理学家确定单个原子的三维坐标

确定材料中成千上万个原子原子的3-D坐标和点缺陷，其精度为19万亿分之一米，其中不假定材料的结晶度。p显示了测得的钨尖端的3-D原子位置，该钨尖端由九个原子层组成，分别从第一层（顶部）标记为深红色（深红色），红色，橙色，黄色，绿色，青色，蓝色，洋红色和紫色到九（下）。

加州大学洛杉矶分校的物理学家团队首次确定了单个原子的三维位置，从而帮助科学家更好地了解了材料的结构特性。

原子是地球上所有物质的基础，它们的排列方式决定了材料的强度，导电性或柔韧性。现在，加州大学洛杉矶分校的科学家已经使用了强大的显微镜对单个原子的三维位置进行成像，其精度达到19万亿分之一米，比氢原子小几倍。

他们的观察首次使根据原子的结构排列推断材料的宏观特性成为可能，例如，这将指导科学家和工程师如何制造飞机部件。这项研究由加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授，建于加利福尼亚大学洛杉矶分校的加州纳米系统研究所的缪建伟
（John）Miao领导，于9月21日发表在《自然材料》杂志的网络版上。

100多年来，研究人员已经使用一种称为X射线晶体学的技术来推断原子在三维空间中的排列方式，该技术涉及测量光波如何从晶体中散射出来。但是，X射线晶体学只能得出有关晶体中数十亿个原子的平均位置的信息，而不是有关单个原子的精确坐标的信息。

苗说：“这就像平均带走地球上的人一样。”“大多数人的头，两只眼睛，鼻子和两只耳朵。但是，普通人的形象与您和我看起来仍然会有所不同。”

由于X射线晶体学无法显示每个原子的材料结构，因此该技术无法识别材料中的微小缺陷，例如不存在单个原子。这些缺陷（称为点缺陷）会削弱材料，当材料是喷气发动机等机器的组成部分时，这可能是危险的。

苗说：“点缺陷对现代科学技术非常重要。”

苗和他的团队使用了一种称为扫描透射电子显微镜的技术，其中在样品上扫描一束小于氢原子大小的电子束，并测量每个扫描位置有多少电子与原子相互作用。该方法揭示了材料的原子结构，因为原子的不同排列导致电子以不同的方式相互作用。

然而，扫描透射电子显微镜仅产生二维图像。因此，制作3D图像需要科学家扫描一次样品，将其倾斜几度，然后重新扫描-重复此过程直到获得所需的空间分辨率-然后再使用计算机算法将每次扫描的数据合并在一起。该技术的缺点是重复的电子束辐射会逐渐损坏样品。

苗和他的同事在劳伦斯伯克利国家实验室的分子铸造厂使用扫描透射电子显微镜，分析了一小部分钨，钨是白炽灯泡中使用的一种元素。当样品倾斜62次时，研究人员能够在钨样品的尖端缓慢组装3769个原子的3-D模型。

该实验非常耗时，因为研究人员必须在每次倾斜后等待几分钟才能使设置稳定。

劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家，论文的作者彼得·艾尔休斯（Peter Ercius）说：“我们的测量是如此精确，任何振动-就像一个人走过一样-都会影响我们的测量。”

研究人员比较了第一次和最后一次扫描得到的图像，以验证钨没有受到辐射的损害，这要归功于电子束能量保持在钨的辐射破坏阈值以下。

苗和他的团队表明，钨样品尖端中的原子排列成九层，其中第六层包含点缺陷。研究人员认为，缺陷可能是原本充满的原子层中的一个洞，或者是一个较轻元素（例如碳）的一个或多个相互交叉的原子。

无论点缺陷的性质如何，研究人员检测其存在的能力都很重要，这首次证明了可以在三个维度上记录单个原子和点缺陷的坐标。

苗说：“我们取得了重大突破。”

苗和他的团队计划通过研究原子在具有磁性或能量存储功能的材料中的排列方式来建立他们的研究结果，这将有助于我们在最基本的尺度上理解这些重要材料的性质。

他说：“我认为这项工作将为21世纪材料的表征方式带来范式转变。”“点缺陷极大地影响了材料的性能，许多物理和材料科学教科书对此进行了讨论。我们的结果是对材料内部三个维度上的点缺陷进行的首次实验确定。”

该研究的合著者包括加州大学洛杉矶分校的徐瑞，陈建春，李武，玛丽·斯科特，马提亚斯·巴特尔斯，杨永s和迈克尔·萨瓦亚。劳伦斯伯克利国家实验室的科林·奥普斯（Colin Ophus）；伯明翰大学的沃尔夫冈·泰斯（Wolfgang Theis）；阿克伦大学的Hadi Ramezani-Dakhel和Hendrik Heinz；和西北大学的劳伦斯·马克（Laurence Marks）。

这项工作主要由美国能源部基础能源科学办公室（DE-FG02-13ER46943和合同DE-AC02_05CH11231授予）支持。

出版物：徐瑞等，“电子断层扫描揭示的材料中单个原子的三维坐标”，《自然材料》（2015年）； doi：10.1038 / nmat4426