氢在金属-金属氢化物界面的第一视图

 
 
氢化钛的三个图像。左：高角度环形暗场(HAADF)。中：本文中描述的新技术，同时显示钛和氢原子(分别标记为蓝色和红色)右：对比反转的环形亮场图片来源：deGraaf等，格罗宁根大学格罗宁根大学物理学家已经将氢原子可视化了。钛/氢化钛界面使用透射电子显微镜。他们使用一种新技术成功地在单个图像中可视化了金属和氢原子，从而使他们能够测试描述界面结构的不同理论模型。结果于1月31日发表在《科学进展》杂志上。
要了解材料的特性，通常必须以原子分辨率观察其结构。使用透射电子显微镜(TEM)可视化原子是可能的。然而，到目前为止，还没有人成功地产生出重原子和所有最轻原子(氢)的正确图像。这正是格罗宁根大学纳米结构材料教授Bart Kooi及其同事所做的。他们使用了一种新的TEM，其功能使其能够在钛/氢化钛界面生成钛和氢原子的图像。
氢原子
所得图片显示了氢原子的列如何填充钛原子之间的空间，从而扭曲了晶体结构。它们占据了一半的空间，这是之前预测的。 Kooi说：“在1980年代，提出了三种不同的模型来确定氢在金属/金属氢化物界面上的位置。” “我们现在能够亲自看到哪种模型是正确的。”
为了创建金属/金属氢化物界面，Kooi和他的同事开始使用钛晶体。然后注入氢原子，并以非常薄的楔形穿透钛，形成微小的金属氢化物晶体。 Kooi解释说：“在这些楔形结构中，氢原子和钛原子的数目相同。” “氢的渗透会在晶体内部产生高压。非常薄的氢化物板会导致金属脆化，例如在核反应堆内部。”界面处的压力可防止氢气逸出。
格罗宁根大学的赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)从新TEM的控制室拍摄的照片，背景是Bart Kooi教授。图片来源：格罗宁根创新大学
在界面处产生重钛和轻氢原子的图像是一个很大的挑战。首先，样品中装有氢气。随后应沿界面以特定方向查看它。这是通过使用离子束从钛切割出适当排列的晶体，并再次使用离子束使样品变薄(厚度不超过50 nm)来实现的。
TEM中包含的几项创新使钛和氢原子的可视化成为可能。重原子可以通过引起显微镜束中电子的散射而显现出来。散射电子优选使用大角度检测器检测。 “氢太轻而无法引起这种散射，因此对于这些原子，我们必须依靠由低角度散射(包括电子波)构造图像。”但是，这种材料会引起这些波的干扰，到目前为止，几乎不可能鉴定出氢原子。
计算机模拟
这些波由低角度明场检测器检测。新型显微镜具有圆形明场检测器，该检测器分为四个部分。通过分析在相对段中检测到的波前差异，并观察扫描光束穿过材料时发生的变化，可以滤除干扰并可视化非常轻的氢原子。
Kooi解释说：“首要条件是拥有一台显微镜，该显微镜可以用小于原子之间距离的电子束进行扫描。随后是分段明场检测器和分析软件的结合，使可视化成为可能。” ，他与显微镜制造商Thermo Fisher Scientific的科学家密切合作，其中两位是该论文的合著者。 Kooi的小组在软件中添加了各种噪声过滤器并进行了测试。他们还进行了广泛的计算机模拟，并与实验图像进行了比较。
纳米材料
研究表明氢与金属之间的相互作用，这对于研究能够存储氢的材料是有用的知识。 “金属氢化物每单位体积可以存储比液态氢更多的氢。”