Из-за слабой рассеивающей способности детектирование легких элементов с помощью ПЭМ (просвечивающая электронная микроскопия) затруднительно, а то и вовсе не возможно (как в случае водорода, за исключением водородных адатомов на графеновой мембране). Однако коллективу японских ученых удалось детектировать атомы водорода в кристаллическом гидриде иттрия, для чего ученым пришлось несколько изменить методику съемки на ПЭМ.

Во-первых, ученые использовали конусообразный пучок электронов (hollow-cone beam) для уменьшения хроматической абберации, а во-вторых, исследователи разместили кольцевой детектор (annular detector) в области светлого поля растрового просвечивающего электронного микроскопа (обозначение ABF-STEM).

Рис. 1. а) Схематическое изображение различных методов съемки – HCI-TEM и ABF-STEM. b) Частотно-контрастные характеристики в случае аксиального облучения (сплошная синяя линия), HCI-TEM для фиксированного угла (штрихованные линии) и кривая, интегрированная по углам в рассматриваемом диапазоне (сплошная красная линия).

Для достижения наилучшего разрешения, необходимо подобрать оптимальные значения угла при вершине конуса. Эта задача оказалась эквивалентной задаче нахождения оптимального угла конуса при стандартной схеме съемки (эту схему обозначили HCL-TEM). В свою очередь, для нахождения оптимального значения угла авторы статьи исследовали частотно-контрастные характеристики для схемы HCI-TEM, и установили, что наибольшего контраста удается добиться при угле 11 мрад<θс<22 мрад (разрешающая способность 22.5 нм-1 против 8 нм-1 в случае аксиального пучка электронов).

Рис. 2. а) Кристаллическая структура гидрида иттрия, расматриваемая со стороны направления [010]. Микрофотографии, полученные с помощью ABF-STEM (b), светлопольной микроскопии (с) и ADF (d).

В этих условиях исследователям удалось «разглядеть» атомы водорода в решетке гидрида иттрия (типа флюорит), чего не удавалось сделать ни с помощью светлопольной, ни с помощью темнопольной микроскопии с кольцевым детектором (annular-dark-field, ADF).

Результаты исследований опубликованы в статье:

Ryo Ishikawa, Eiji Okunishi, Hidetaka Sawada, Yukihito Kondo, Fumio Hosokawa & Eiji Abe Direct imaging of hydrogen-atom columns in a crystal by annular bright-field electron microscopy. – Nature Materials. – 2011. – doi:10.1038/nmat2957; Published online 13 February 2011.