Elektron kristalografisi
İnorganik malzemelere uygulama

Yüksek çözünürlüklü elektron mikroskobu (HREM) görüntüleri kullanılarak inorganik kristaller üzerindeki elektron kristalografik çalışmaları ilk olarak 1978'de Aaron Klug ve 1984'te Sven Hovmöller ve çalışma arkadaşları tarafından gerçekleştirildi. HREM görüntüleri, yapı analizi için kristalin kenarına yakın çok ince bölgelerin seçilmesine (bilgisayar yazılımı ile) izin verdikleri için kullanıldı. Kristalin daha kalın kısımlarında çıkış dalgası işlevi (yansıtılan atom sütunlarının yoğunluğu ve konumu hakkında bilgi taşır) artık yansıtılan kristal yapıyla doğrusal olarak ilişkili olmadığından, bu çok önemlidir. Dahası, HREM görüntüleri sadece artan kristal kalınlığıyla görünümlerini değiştirmekle kalmaz, aynı zamanda objektif lensin bulanıklaştırma f'nin seçilen ayarına da çok duyarlıdır. Bu karmaşıklıkla başa çıkmak için Michael O'Keefe, 1970'lerin başında HREM görüntülerinde gözlemlenen kontrast değişikliklerini yorumlamaya izin veren görüntü simülasyon yazılımı geliştirmeye başladı.
İnorganik bileşiklerin elektron mikroskobu alanında ciddi bir anlaşmazlık vardı; bazıları "faz bilgisinin EM görüntülerinde mevcut olduğunu" iddia ederken diğerleri "faz bilgisinin EM görüntülerinde kaybolduğu" şeklinde zıt görüşe sahiptir. Bu zıt görüşlerin nedeni, fizikçiler ve kristalograflardan oluşan iki toplulukta "faz" kelimesinin farklı anlamlarla kullanılmış olmasıdır. Fizikçiler daha çok "elektron dalga fazı" ile ilgileniyorlar - elektronların maruz kalması sırasında örnekte hareket eden bir dalganın fazı. Bu dalganın dalga boyu yaklaşık 0.02-0.03 Ångström'dür (elektron mikroskobunun hızlanan voltajına bağlı olarak). Onun fazı, kırılmamış direkt elektron ışınının fazıyla ilgilidir. Öte yandan kristalograflar, basitçe "faz" dedikleri zaman "kristalografik yapı faktör fazı" anlamına gelir. Bu aşama, kristaldeki durağan potansiyel dalgalarının aşamasıdır (X-ışını kristalografisinde ölçülen elektron yoğunluğuna çok benzer). Bu dalgaların her biri, düşük/yüksek potansiyelli Bragg düzlemleri arasındaki mesafe için d-değeri olarak adlandırılan kendi özel dalga boyuna sahiptir. Bu d-değerleri, birim hücre boyutlarından elektron mikroskobunun çözünürlük sınırına, yani tipik olarak 10 veya 20 Ångströms'den 1 veya 2 Ångströms'e kadar değişir. Aşamaları, kristalin simetri elemanlarıyla ilişkili olarak tanımlanan kristaldeki sabit bir noktayla ilişkilidir. Kristalografik fazlar kristalin bir özelliğidir, dolayısıyla elektron mikroskobunun dışında da bulunurlar. Mikroskop kapatılırsa elektron dalgaları kaybolur. Bir kristal yapının belirlenebilmesi için kristalografik yapı faktörlerinin bilinmesi ancak elektron dalga fazlarının bilinmemesi gerekir. Fazların elektron dalgasının fazlarıyla (kristalografik yapı faktörü) nasıl bağlantılı olduğu daha ayrıntılı bir tartışmada bulunabilir.
Tıpkı proteinlerde olduğu gibi, inorganik kristallerin atomik yapılarını da elektron kristalografisi ile belirlemek mümkün olmuştur. Daha basit yapı için, üç dikey görünüşün kullanılması yeterlidir, ancak daha karmaşık yapılar için, on veya daha fazla farklı köşegen aşağıya projeksiyonlar da gerekli olabilir.
Elektron mikroskobu görüntülerine ek olarak, kristal yapı tayini için elektron kırınım (ED) modellerini kullanmak da mümkündür. Yansımalar (yarı kinematik kırınım koşulları) arasındaki yapı ile ilgili yoğunluk farklılıklarının çoğunu korumak için bu tür ED modellerini en ince alanlardan kaydetmek için azami özen gösterilmelidir. X-ışını kırınım modellerinde olduğu gibi, önemli kristalografik yapı faktör fazları elektron kırınım modellerinde kaybolur ve doğrudan yöntemler, maksimum olasılık (son zamanlarda) veya yük çevirme yöntemi gibi özel kristalografik yöntemlerle ortaya çıkarılmalıdır. Öte yandan, inorganik kristallerin ED modelleri genellikle 1 Ångström'ün çok altında yüksek bir çözünürlüğe (yüksek Miller indeksli düzlemler arası boşluklar) sahiptir. Bu, en iyi elektron mikroskoplarının nokta çözünürlüğü ile karşılaştırılabilir. Uygun koşullar altında, tam kristal yapıyı belirlemek için tek bir yönelimden ED modellerini kullanmak mümkündür. Alternatif olarak, kristal yapıyı iyileştirmek için ED'den gelen yoğunlukları ve çözme için HRTEM görüntülerini kullanan bir hibrit yaklaşım kullanılabilir.
ED tarafından yapı analizi için son gelişmeler, elektron kırınım modellerini kaydetmek için Vincent-Midgley presesyon tekniğinin tanıtılmasıyla gerçekleştirildi. Bu şekilde elde edilen yoğunluklar genellikle kinematik yoğunluklara çok daha yakındır, böylece geleneksel (seçili alan) elektron kırınım verileri işlenirken aralık dışı olan yapılar bile belirlenebilir.
Elektron kristalografisi ile belirlenen kristal yapılar, yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) dahilinde birinci prensip hesaplamaları kullanılarak kaliteleri kontrol edilebilir. Bu yaklaşım ilk kez, sırasıyla yalnızca HRTEM ve ED tarafından erişilebilen birkaç metal açısından zengin yapının doğrulanması için uygulandı.
Son zamanlarda, X-ışını toz kırınımı ile birleştirilen elektron kristalografisi ile iki çok karmaşık zeolit yapısı belirlenmiştir. Bunlar, X-ışını kristalografisi ile belirlenen en karmaşık zeolit yapılardan daha karmaşıktır.
Fourier dönüşümü eklenmiş inorganik tantalum oksidin elektron mikroskobu görüntüsü. Görünümün üst ince bölgeden daha kalın alt bölgeye doğru nasıl değiştiğine dikkat edilir. Bu bileşiğin birim hücresi yaklaşık 15'e 25 Ångström'dür. Simetrinin hesaba katıldığı görüntü işleme sonucunun içinde şeklin merkezinde ana hatlarıyla belirtilmiştir. Siyah noktalar, tüm tantal atomlarını açıkça gösteriyor. Kırınım, 15 Å yönü boyunca 6 sıraya ve dikey yönde 10 sıraya kadar uzanır. Böylece EM görüntünün çözünürlüğü 2,5 Å'dur (15/6 veya 25/10). Bu hesaplanan Fourier dönüşümü hem genlikleri hem de fazları içerir (görüntülenmedi).
Yukarıda gösterilen aynı inorganik tantalum oksit kristalinin elektron kırınım modeli. Burada, yukarıdaki EM görüntüsünden hesaplanan difraktogramdan çok daha fazla kırınım noktası olduğuna dikkat edin. Kırınım, 15 Å yönü boyunca 12 sıraya ve dikey yönde 20 sıraya kadar uzanır. Bu nedenle ED örüntüsünün çözünürlüğü 1.25 Å'dur (15/12 veya 25/20). ED desenleri faz bilgisi içermez, ancak kırınım noktalarının yoğunlukları arasındaki açık farklar kristal yapı belirlemede kullanılabilir.