Fejlett elektronmikroszkópia az anyagtudományhoz

Ez a cikk a jelenlegi kutatási trendeket mutatja befejlett elektronmikroszkópos technikákaz anyagtudomány számára. A felmérés különszáma alapján készültAnyagtranzakciók2019. októberében jelent meg (60. évf. 10. szám). A fejlett elektronmikroszkópiát széles körben alkalmazták különféle anyagok jellemzésére. Az elektromos elemzések legújabb fejlesztése és kiterjesztéseFimezők és a szekunder elektronok kollektív mozgásai általin situaz elektronholográfiát részletesen tárgyaljuk.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Beérkezett: 2021. május 14.; Elfogadva: 2021. július 12.; Közzétéve: 2021. szeptember 3.)

Kulcsszavak:elektronholográfia, dinamikus diffrakció, in situ kísérlet, elektromos tér, szekunder elektron

Wecistanche támogató szolgáltatása – Kína legnagyobb cisztanche exportőre:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel.:+86 15292862950

Vásároljon további specifikációkért:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop

KATTINTSON IDE, HOGY TERMÉSZETES SZERVES CISTANCHE KIVONATOT SZEREZZE MEG 25% ECHINAKOZIDOT ÉS 9% AKTEOZIDOT A VESEMŰKÖDÉSÉRT

1. Bemutatkozás

Transzmissziós elektronmikroszkópia(TEM) különböző mikrostruktúrák tisztázására használtákfunkcionális anyagok, ésnagy felbontásúA TEM15) az atomi elrendezések közvetlen megfigyelésére szolgál. Az ilyen részletes atomi elrendezések a beeső elektronsugár mentén lefelé vetítve 0,1 nm-nél kisebb felbontási korláttal figyelhetők meg. 0,1 nm-nél kisebb mikroszondák és nyaláb pásztázó rendszerek használatával, pásztázó átvitelelektronmikroszkópia(STEM) megszerzésére szolgálatomi szintű elemleképezés.69) A felbontás ezen javulása mellett a kutatók technikákat fejlesztettek ki az elektromágneses mező mintákon belüli és kívüli eloszlásának elemzésére, azáltal, hogy a próbatest fázisinformációira összpontosítanak.beeső elektronsugár. Tipikus technika az elektronholográfia, amely az elektronhullámok interferenciáját használja fel.1013)

Bár számos áttekintő és áttekintő cikk, köztük könyvek állnak rendelkezésre, amelyek a TEM anyagtudományi alkalmazásait ismertetik,4,14,15) 2019 októberében különszám jelent meg a Materials Transactions (60. évf., 10. szám) címmel. Fejlett elektronmikroszkópos technikák fejlesztése és alkalmazása az anyagtudomány számára. Ez a különszám összesen öt cikket tartalmaz, amelyek az elektronok hullámviselkedésének kutatásával16,17) és az anyagok és eszközök elektronholográfiát használó elemzésével foglalkoznak.18,19) Az elektronholográfián kívül különféle technikák, mint például a sötétmezős képalkotás és a magas -angle annular dark-field (HAADF) STEM megfigyeléseket használtakjellemezze a töltött tartomány falait(CDW-k) ferroelektromos anyagokban.20) Ezenkívül a közelmúltban kiterjedt TEM-alapú elemzéseket tettek közzé.2123)

A különszám megjelenése előtt az Anyagtudományi és Mérnöki Kutatótársaság 27. Találkozóját tartották a Tohoku Egyetem Multidiszciplináris Kutatási Kutatóintézetében, melynek témája „Az anyagtulajdonságok és a mikroszkópos technikák legújabb trendjei”. Ezt a különszámot úgy állítottuk össze, hogy a találkozó egyes résztvevőitől papírokat gyűjtöttek össze. Az elektronholográfiáról összefoglaló cikkek érhetők el.13,24) Nemrég jelent meg egy Mikroszkóp különszám az "Electron Interference Microscopy" témában.2535) A következő részekben a Materials Transactions (60. köt. 10. szám), és bemutatjuk kutatócsoportunk legújabb, a különszámmal kapcsolatos kutatási fejlesztéseit.

2. A Különszám áttekintése

2.1 Elektronörvénynyalábok előállítása és szabályozása

A speciális Materials Transactions számban, „A fejlett elektronmikroszkópos technikák fejlesztése és alkalmazása az anyagtudomány számára” című kiadványban Harada és munkatársai16 arról számoltak be, hogy örvénysugarat generáltak fókuszált ionsugaras (FIB) műszerekkel gyártott villa alakú rácsok segítségével a tisztázás érdekében. az örvénynyalábok teljesítménye. Kisszögű elektrondiffrakciós optikai rendszerrel36) hoztak létre örvénynyalábokat, és sikeresen irányították az örvénynyalábokat a nyílások alakjának és méretének megváltoztatásával. Az elektronörvénynyalábok szögnyomatékot hordozhatnak a terjedés közben3740), és potenciálisan felhasználhatók a mintadarab síkjára merőleges mágneses fluxus detektálására a szögimpulzus miatt, a síkbeli (az elektronsugárra merőleges) komponenseken kívül. mágneses fluxus a Lorenz-erő miatt.4143) Továbbá az elektronörvénynyalábok potenciálisan felhasználhatók mikrogyártásra és mágnesezés szabályozására. Ezek a lehetséges alkalmazások azt mutatják, hogy az elektronörvénynyalábok és más kiterjesztett elektronsugarak, például a Bessel-nyalábok potenciális következő generációs elektronsugaras technológiák.4447)

2.2 A dinamikus elektrondiffrakció hatása az elektron fáziseltolódásra

A fent említett Materials Transactions különszám tartalmazza az Akase et al. 17) a dinamikus elektrondiffrakciónak a fáziseltolódásra gyakorolt ​​hatásának vizsgálata4851) elektronhologramokon, amelyeket egykristály Si ék alakú mintájáról vettek fel Bragg-diffrakciós körülmény körül. Eredményeik azt mutatják, hogy az effektív belső potenciál függ a beeső elektronsugár irányától, különösen a Bragg-feltétel közelében. A karakterisztikus fáziseltolódást az elektrondiffrakció dinamikus elméletével elemeztük.52)

Az 1. ábra világos mezős képeket, rekonstruált fázisképeket és fáziseltolási profilokat mutat be (a) és (b) 220 Bragg-feltétel nélkül. Ha a minta nem felel meg a Bragg-feltételnek, a fáziseltolódás a próbadarab vastagságával arányosan növekszik, amint az az 1(a) ábrán látható. Ha azonban a minta megfelel a 220 Bragg-feltételnek, amint az 1(b) ábrán látható, a fáziseltolódás ³ radiánt ugrik azokon a pozíciókon, ahol a megfelelő világos mezős képen sötét vastagságú peremek jelennek meg. Ezek a ³ radián ugrások az elektrondiffrakció dinamikus elméletével magyarázhatók, amint az a 2. ábrán látható. A 2. ábra minden oszlopa különböző diffrakciós viszonyokat mutat. A felső sorban a ¼0 exp(¹2³i«t) komplex érték ábrázolásai láthatók a komplex síkon a t vastagsággal paraméterként, ahol ¼0 az objektum hullámának hullámfüggvénye és » a vákuumban beeső elektronok hullámszámvektora. Ennek a komplex értéknek az amplitúdója az intenzitás négyzetgyökének, a komplex érték szöge pedig a fáziseltolódásnak felel meg. A vastagság 0 és 300 nm között van. A 2080 nm-nek megfelelő adatok a 2. ábrán piros, félkövér vonalakként vannak ábrázolva. A középső és alsó sorok az intenzitást és a fáziseltolódást mutatják a t vastagság függvényében. A 2. ábra középső oszlopában a próbatest pontosan 220 Bragg diffrakciós feltétel alatt van, ahol a ¼0 exp(¹2³i«t) pálya metszi a komplex sík origóját. A metszéspont vastagságában a komplex érték amplitúdója nulla; ezért a megfelelő pozíció a világos mezős képen sötétnek tűnik. Nevezetesen, a ¼0 exp(¹2³i«t) fázis megfordult a komplex sík origóján keresztül. Ezért a fáziseltolódási profil ³-os ugrásokat mutat a sötét vastagságú peremeken. A 2. ábra bal és jobb oldali oszlopa mutatja azokat az eredményeket, amikor a 220 reflexió gerjesztési hibájának előjele negatív, illetve pozitív. Ezekben az esetekben vastagság-perem is megjelenik a világos mezős képen; a sötét perem intenzitása azonban nem válik nullává (lásd a 2. ábra középső sorát), és a fáziseltolódási profilban nem figyelhető meg ugrás (lásd a 2. ábra alsó sorát). Nevezetesen, a fáziseltolódás vastagsághoz való gradiense, azaz az "effektív belső potenciál" a 220 reflexió gerjesztési hibájának előjelétől függ (lásd a 2. ábra alsó sorát). Ezt a tendenciát egy sor kísérletileg rekonstruált fáziskép is megerősítette, különböző beeső sugárirányokkal.

2.3 Többrétegű kerámia kondenzátor csapadékának elektromos térerősségének elemzése

Kawamoto et al. Egyedülálló elektronholográfián alapuló jellemzési módszert mutattak be a többrétegű kerámiakondenzátorokban (MLCC) előállított szubmikrométeres csapadékok elektromos tulajdonságainak meghatározására.18) Megmutatták, hogy az ekvipotenciális kontúrvonalak lényeges információkat szolgáltatnak a 2000-ban keletkezett szubmikronos enter-méretű csapadék elektromos vezetőképességéről. kereskedelmi BaTiO3 MLCC-k. A kutatók arról számoltak be, hogy a hozzáadott Mg és ritkaföldfém elemek fontos szerepet játszanak a dielektromos állandó hőmérséklet-függésének szabályozásában.53) Az ilyen elemek hozzáadása azonban komplex kiválást indukál a dielektromos anyagon belül (pl. Cr-ben gazdag fázis, 54) Si-ben gazdag fázis,55) és mások). Mivel ezek a csapadékok dielektromos állandókkal rendelkeznek, amelyek jelentősen eltérnek a BaTiO3 mátrixétól, valószínűleg rontják a kondenzátor teljesítményét. Ezért fontos a helyi elektromos tulajdonságok tanulmányozása a mikrométeres méretű csapadékok környezetében.

Tanulmányukban Kawamoto et al. elektronholográfiát használtak a TEM5658-ban kezelő mikroszondákkal az MLCC-ben59) képződött szubmikrométeres méretű csapadékok jellemzésére és a káros elektromos meghibásodást okozó objektumok azonosítására. A 3(a) ábra egy vékony fólia minta (20 µm x 6 µm x 100 nm) vázlatát mutatja, halmozott konfigurációval, amely egy Ni-katódot, egy dielektromos anyagot (BaTiO3) és egy Ni-anódot tartalmaz. Ne feledje, hogy a katód és az anód fizikailag Pt horgokhoz csatlakozik, amelyek fémes PtIr szondákkal érintkeznek, amikor elektromos feszültséget kapcsolnak a mintára. A 3(b) ábra a minta ADF-STEM képét mutatja. A sötét kontraszttal megjelenő csapadékot zöld nyíl jelzi. Az energiadiszperzív röntgenspektroszkópiás (EDS) analízis azt mutatja, hogy ez a csapadék krómban gazdag és Si-ben szegény. a 3(c) ábra rekonstruált fázisképe 7 V effektív rákapcsolt feszültség mellett; így a szerzők levonták a 3 V-os alkalmazott feszültség alatt szerzett fáziseltolódási információt a 10 V alatt szerzett fáziseltolódási információkból, hogy elnyomják a nem kívánt fázisinformációkat, mint például az átlagos belső potenciál jelentős változásai a csapadék helyzetében, a minta vastagságának változásai. és a Ni-elektródák mágneses terét. Figyelemre méltó, hogy a csapadék lokális területének szintvonalainak távolságában és irányában is változás következett be, ami a csapadék és a BaTiO3 mátrix közötti elektromos vezetőképesség különbségének tulajdonítható. A 3(d) ábra egy kétdimenziós szimulált elektromos tértérképet mutat, amely végeselem-módszer (FEM) modellezésen alapul. Ebben a modellben a ·B csapadék elektromos vezetőképessége lényegesen kisebb, mint az ·M mátrix vezetőképessége. A 3(d) ábrán látható eredmények megmagyarázzák a megfigyelések több jellemzőjét (3(c) ábra), mint például a szintvonalak közötti távolság csökkentése a csapadékon belül és a távolság fokozatos változása a mátrix területén. A Cr-ben gazdag fázis vezetőképességének két-három nagyságrenddel kisebbnek kell lennie, mint a mátrixé. Ez a módszer az iparban széles körben használt kondenzátorok összetett mikroszerkezete és anyagfunkciói közötti kapcsolat mélyebb megértéséhez vezethet.

2.4 Töltött doménfalak jellemzése ferroelektromos anyagban

Nakajima et al.20) vizsgálták a CDW szerkezeteket60) Ca3¹xSrxTi2O7-ben (CSTO) TEM segítségével. A ferroelektromosságot a CSTO-ban mind hagyományos elektromos polarizációs mérésekkel, mind piezorválasz-erőmikroszkóppal figyelték meg.61) Ez utóbbi kétféle CDW-t tárt fel a CSTO-ban a polaritás és a vezetőképesség tekintetében: a nagy vezetőképességű „fej-fej” falak és az alacsony vezetőképesség "faroktól a farokig" falak. A CDW-k ígéretesek az eszközalkalmazások számára, mert morfológiájuk és vezetőképességük elektromos mezőkkel és más fizikai jelenségekkel szabályozható.6267) Nakajima et al.20) a Friedel-törvény lebontásán alapuló sötétmezős képalkotást használta a mikroszerkezet meghatározására. a CSTO jellemzői. A HAADF-STEM megfigyelések a perovszkit szerkezetű blokkok halmozásának szabálytalanságát mutatták ki. Ezenkívül az elektronholográfia szabálytalan halmozási régiókat tárt fel, amelyek az Sr-tartalom miatt megváltoztatják az átlagos belső potenciált. Ezek a mikroszkópos vizsgálatok javítják a ferroelektromos domének kialakulásának mechanizmusait a CSTO-ban.

2.5 Másodlagos elektronok elemzése töltött epoxifilm körül

Eddig többféleképpen írtunk leTEM technikákaz anyagtudomány számára, beleértve az elektromos mezők elektronholográfiával történő megfigyelésének módszereit. E tanulmányok kiterjesztéseként az egyik legérdekesebb téma az elektronok mozgásának vizualizálása, mivel az elektromágneses mezők ezekből a mozgásokból származnak. E vizsgálatok közül a legkorábbi a biológiai minták töltési hatására összpontosított.68,69) Az elektronok felhalmozódását és eloszlását ezt követően különböző szigetelőanyagoknál figyelték meg, különös tekintettel azok felületére.

Sato et al.19) a másodlagos elektronok eloszlását tanulmányozták egy ultramikrotómiával előállított töltött epoxifilm körül. A 4(a) ábra egy vékony epoxigyanta film (sötétbarna régió) rekonstruált fázisképet mutatja. A próbatest felületének elektromos potenciálját 1,2 V-ra becsülték egy szimulált rekonstruált képpel összehasonlítva. Bár a minta felületén nem voltak fémes elemek, a töltési hatást a megfigyelt terület közelében lévő mintatartó lemezről származó másodlagos elektronok besugárzása elnyomja. A 4(b) ábrán látható rekonstruált amplitúdóképen vörös tartományok láthatók az epoxigyanta felülete körül, ami a pozitív töltésű próbatest felületével erős kölcsönhatásba lépő másodlagos elektronok nagy sűrűségének felel meg. Különösen a 4(b) ábrán a nyíllal jelölt homorú régióban látható egy élénkvörös tartomány; ez a tartomány a felhalmozódott másodlagos elektronok felülettel való kölcsönhatása miatti nagy elektromos téringadozásnak felel meg. Az epoxigyanta hologramjának megfigyelése után a vékony minta mindkét oldalát FIB rendszerrel sugározták be gyenge Ga{7}}ionsugár segítségével. A sugár intenzitása 0,85 © 103 mC·m¹2 volt, ami 200-szor kisebb, mint a minták polírozására jellemzően használt érték. A 4(c) ábra rekonstruált fázisképe azt mutatja, hogy a próbatest elektromos potenciálja a szimulációs eredmények szerint 1,0 V lesz. A minta elektromos potenciálja besugárzás előtt és után nem különbözött lényegesen, mivel gyenge Ga+- ionnyalábot használtak. A 4(d) ábrán látható rekonstruált amplitúdóképen a 4(b) ábrán látható színes régiók már nem láthatók. Így a pozitív töltésű epoxigyanta felületével erős kölcsönhatásba lépő szekunder elektronok eloszlása ​​érzékeny a felületen lévő fémes elemek jelenlétére.

4. ábra (a) Ultramikrotóm epoxigyanta rekonstruált fázisképe. (b) A gyanta rekonstruált amplitúdóképe. (c) A FIB-vel feldolgozott gyanta rekonstruált fázisképe. (d) A FIB-vel feldolgozott gyanta rekonstruált amplitúdóképe.19)