X光譜術成功探測單一原子

日本研究人員首度利用 X 光能量散佈光譜術(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX)成功探測到單一原子。儘管這項技術相當困難,此研究成果在使用 X 射線研究探測奈米結構和元件的領域上,邁出了正確且重要的一步。

能偵測單一原子發出的光子對於研究奈米結構與元件的特性有極大的助益。以往這方面的研究主要是利用電子能量損失譜(electron energy loss spectrum, EELS)來探測單一鑭系金屬原子或較輕的碳原子等。然而,EELS 需使用高能電子束,因此只適用於某些元素,否則會造成樣品損壞。此外,金與鉑之類的貴重金屬亦很難以 EELS 獲得高精準度的探測結果;這是一項嚴重的缺點,因為在觸媒、隕石或抗癌藥物等研究中,樣本內通常僅含有微量的貴金屬元素。

圖片來源:nanotechweb.org

EDX 是一種能對廣泛材料進行化學測定的好方法,不過要以 EDX 來探測單一原子,研究人員需要能獲得高品質的光電子能譜(photoemission spectrum),但是這並非易事。最近,日本奈米碳管研究中心(Nanotube Research Center)的 Kazu Suenaga 團隊與日本電子公司和九州大學的研究夥伴表示,藉助著先進的激發與探測儀器,他們已經利用了 EDX 成功探測單一鉺原子。

在該實驗中,他們研究了「金屬富勒烯鉺豆莢」(metallofullerene erbium peapod),每一個「豆莢」是由籠狀碳 82(carbon-82 cage)分子內填一個鉺原子所構成,並以奈米碳管作為豆莢支架。如此配置的好處在於能產生非常有序的排列結構,各個金屬原子相距約為 1 nm,因此在 X 光譜上能輕易辨別這些原子。

研究團隊利用電子顯微鏡的聚焦電子束(可聚焦至數埃)來激發鉺原子,然後以新研發的大尺寸(約 100 mm2)矽漂移探測器(silicon drift detector, SDD)收集鉺原子發出的 X 光。Suenaga 指出,X 光通常會往各個方向發射,所以普通大小的探測器只能收集到一小部分 X 光,而他們的大型 SDD 至少能將光子收集率提高數倍。他表示,能以這種方式對單一原子進行 X 光譜分析,將會是奈米光學研究的一大利器。詳見 Nano Lett.|DOI: 10.1021/nl300584r。

譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:EDX detects single atoms—nanotechweb.org [2012-08-07]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-08-26]


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