Napredna elektronska mikroskopija za znanost o materijalima

Ovaj rad predstavlja trenutne trendove istraživanja unapredne tehnike elektronske mikroskopijeza znanost o materijalima. Anketa se temelji na posebnom izdanjuMaterijalne transakcijeobjavljeno u listopadu 2019. (sv. 60, br. 10). Napredna elektronska mikroskopija opsežno se primjenjuje za karakterizaciju različitih materijala. Nedavni razvoj i proširenje analiza električnihFipolja i kolektivna gibanja sekundarnih elektrona poin situdetaljno se raspravlja o elektronskoj holografiji.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Primljeno 14. svibnja 2021.; prihvaćeno 12. srpnja 2021.; objavljeno 3. rujna 2021.)

Ključne riječi:elektronska holografija, dinamička difrakcija, in situ eksperiment, električno polje, sekundarni elektron

Usluga podrške Wecistanche-najvećeg izvoznika cistanche u Kini:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/telefon:+86 15292862950

Kupite za više pojedinosti o specifikacijama:

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

KLIKNITE OVDJE DA DOBIJETE PRIRODNI ORGANSKI EKSTRAKT CISTANCHE S 25% EHINAKOSIDA I 9% AKTEOZIDA ZA FUNKCIJU BUBREGA

1. Uvod

Transmisijska elektronska mikroskopija(TEM) korišten je za razjašnjavanje mikrostruktura raznihfunkcionalni materijali, ivisoka rezolucijaTEM15) korišten je za izravno promatranje rasporeda atoma. Takvi detaljni rasporedi atoma projicirani duž upadne elektronske zrake mogu se promatrati s granicom rezolucije manjom od 0.1 nm. Upotrebom mikrosondi manjih od 0.1 nm i sustava za skeniranje zrakom, prijenos skeniranjaelektronska mikroskopija(STEM) koristi se za dobivanjeelementarno preslikavanje na atomskoj razini.69) Osim ovog poboljšanja razlučivosti, istraživači su razvili tehnike za analizu distribucije elektromagnetskog polja unutar i izvan uzoraka usredotočujući se na podatke o faziupadni elektronski snop. Tipična tehnika je elektronska holografija, koja koristi interferenciju elektronskih valova.1013)

Iako su dostupni brojni pregledni i pregledni radovi, uključujući knjige, koji opisuju primjenu TEM-a u znanosti o materijalima,4,14,15) posebno izdanje objavljeno je u listopadu 2019. u Materials Transactions (Vol. 60, No. 10) pod naslovom "Razvoj i primjena naprednih tehnika elektronske mikroskopije u znanosti o materijalima". Ovo posebno izdanje sadrži ukupno pet članaka koji pokrivaju istraživanje valnog ponašanja elektrona16,17) i analize materijala i uređaja koji koriste elektronsku holografiju.18,19) Uz elektronsku holografiju, različite tehnike kao što su slikanje tamnog polja i visoko Korištena su STEM promatranja -kutnog prstenastog tamnog polja (HAADF).karakteriziraju stijenke nabijene domene(CDWs) u feroelektričnim materijalima.20) Nadalje, nedavno su objavljene opsežne analize temeljene na TEM.2123)

Prije objavljivanja ovog posebnog broja, 27. sastanak Društva za istraživanje znanosti o materijalima i inženjerstvu održan je na Institutu za multidisciplinarna istraživanja naprednih materijala Sveučilišta Tohoku, s temom "Nedavni trendovi u svojstvima materijala i mikroskopskim tehnikama". Ovo posebno izdanje sastavljeno je prikupljanjem radova nekih od sudionika skupa. O elektronskoj holografiji dostupni su pregledni članci.13,24) Nedavno je objavljeno posebno izdanje Microscopy o "Electron Interference Microscopy".2535) U sljedećim odjeljcima pregledavamo posebno izdanje Materials Transactions (Vol. 60, br. 10), te predstaviti najnovija istraživanja naše istraživačke skupine vezana uz posebnu problematiku.

2. Prikaz posebnog izdanja

2.1 Generiranje i upravljanje elektronskim vrtložnim snopovima

U posebnom izdanju Materials Transactions o "Razvoju i primjeni naprednih tehnika elektronske mikroskopije za znanost o materijalima", Harada et al.16) izvijestili su o stvaranju vrtložnih zraka korištenjem rešetki u obliku vilice proizvedenih pomoću instrumenata s fokusiranim ionskim snopom (FIB) za razjašnjavanje performanse vrtložnih zraka. Generirali su vrtložne zrake korištenjem malokutnog optičkog sustava difrakcije elektrona36), a također su uspješno kontrolirali vrtložne zrake mijenjajući oblike i veličine otvora. Zrake elektronskog vrtloga mogu prenositi kutne momente dok se šire3740) i potencijalno se mogu koristiti za otkrivanje magnetskog toka okomito na ravninu uzorka zahvaljujući njegovom kutnom momentu, uz komponente u ravnini (okomite na elektronski snop) magnetski tok zahvaljujući Lorenzovoj sili.4143) Nadalje, zrake elektronskog vrtloga mogu se potencijalno koristiti za mikroproizvodnju i kontrolu magnetizacije. Ove moguće primjene pokazuju da su elektronski vrtložni snopovi i drugi prošireni elektronski snopovi kao što su Besselovi snopovi potencijalne tehnologije snopa elektrona sljedeće generacije.4447)

2.2. Učinak dinamičke difrakcije elektrona na fazni pomak elektrona

Prethodno spomenuto posebno izdanje Materijalnih transakcija uključuje Akase et al.' 17) istraživanje učinka dinamičke difrakcije elektrona na fazni pomak4851) u elektronskim hologramima snimljenim s klinastog uzorka monokristala Si oko uvjeta Braggove difrakcije. Njihovi rezultati pokazuju da efektivni unutarnji potencijal ovisi o smjeru upadne zrake elektrona, posebno u blizini Braggovog uvjeta. Karakteristični fazni pomak analiziran je pomoću dinamičke teorije difrakcije elektrona.52)

Slika 1 prikazuje slike svijetlog polja, rekonstruirane fazne slike i profile faznog pomaka bez (a) i s (b) 220 Braggovim uvjetom. Kada uzorak ne zadovoljava Braggov uvjet, fazni pomak se povećava proporcionalno debljini uzorka, kao što je prikazano na slici 1(a). Međutim, kada uzorak zadovolji 220 Braggov uvjet, kao što je prikazano na slici 1(b), fazni pomak skače ³ radijana na mjestima gdje se tamne crte debljine pojavljuju na odgovarajućoj slici svijetlog polja. Ovi skokovi ³ radijana mogu se objasniti dinamičkom teorijom difrakcije elektrona, kao što je prikazano na slici 2. Svaki stupac na slici 2 prikazuje različite uvjete difrakcije. Gornji red prikazuje dijagrame kompleksne vrijednosti ¼0 exp(¹2³i«t) na kompleksnoj ravnini s debljinom t kao parametrom, gdje je ¼0 valna funkcija vala objekta i » je vektor valnog broja za upadne elektrone u vakuumu. Amplituda ove kompleksne vrijednosti odgovara kvadratnom korijenu intenziteta, a kut kompleksne vrijednosti odgovara faznom pomaku. Debljina se kreće od 0 do 300 nm. Podaci koji odgovaraju 2080 nm ucrtani su kao crvene podebljane crte na slici 2. Srednji i donji redak prikazuju intenzitet i fazni pomak ucrtan kao funkcije debljine t. U središnjem stupcu slike 2, uzorak je pod točnim uvjetima Braggove difrakcije od 220, gdje trajektorija od ¼0 exp(¹2³i«t) siječe ishodište kompleksne ravnine. U debljini presjeka amplituda kompleksne vrijednosti je nula; odgovarajući položaj na slici svijetlog polja stoga izgleda tamno. Značajno je da je faza ¼0 exp(¹2³i«t) okrenuta preko ishodišta kompleksne ravnine. Stoga profil faznog pomaka pokazuje skokove od ³ na tamnim rubovima debljine. Lijevi i desni stupac na slici 2. prikazuju rezultate kada je predznak pogreške pobude refleksije 220 negativan odnosno pozitivan. U tim slučajevima, rub debljine također se pojavljuje na slici svijetlog polja; međutim, intenzitet tamnih rubova ne postaje jednak nuli (vidi srednji red na slici 2), i ne opažaju se skokovi u profilu faznog pomaka (vidi donji red na slici 2). Naime, gradijent faznog pomaka prema debljini, tj. "efektivni unutarnji potencijal", ovisi o predznaku greške pobude 220 refleksija (vidi donji red slike 2). Ova tendencija je potvrđena nizom eksperimentalno rekonstruiranih faznih slika s različitim smjerovima upadnog snopa.

2.3 Analiza električnog polja precipitata u višeslojnom keramičkom kondenzatoru

Kawamoto i sur. demonstrirali su jedinstvenu metodu karakterizacije temeljenu na elektronskoj holografiji za određivanje električnih svojstava submikrometarskih taloga proizvedenih u višeslojnim keramičkim kondenzatorima (MLCC).18) Pokazali su da konturne linije ekvipotencijala predstavljaju bitne informacije o električnoj vodljivosti submikronskih taloga nastalih u mjerilu komercijalni BaTiO3 MLCC. Istraživači su izvijestili da dodani Mg i elementi rijetke zemlje igraju važnu ulogu u kontroli temperaturne ovisnosti dielektrične konstante.53) Međutim, dodavanje takvih elemenata izaziva složeno taloženje unutar dielektrične tvari (npr. faza bogata Crom, 54) Si-bogata faza,55) i drugi). Budući da ovi precipitati imaju dielektrične konstante koje se znatno razlikuju od one BaTiO3 matrice, vjerojatno će pogoršati performanse kondenzatora. Stoga je važno proučavanje lokalnih električnih svojstava u blizini taloga submikrometarskih razmjera.

U svojoj studiji Kawamoto i sur. upotrijebio elektronsku holografiju s mikrosondama za rukovanje u TEM5658) za karakterizaciju taloga submikrometarskih razmjera nastalih u MLCC-ovima59) i identificiranje objekata koji uzrokuju štetne električne kvarove. Slika 3(a) prikazuje shemu uzorka tanke folije (20 µm © 6 µm © 100 nm) sa naslaganom konfiguracijom koja se sastoji od Ni katode, dielektrične tvari (BaTiO3) i Ni anode. Imajte na umu da su katoda i anoda fizički povezane s Pt zupcima, koji su u kontaktu s metalnim PtIr sondama kada se na uzorak primijeni električni napon. Slika 3(b) prikazuje ADF-STEM sliku uzorka. Talog koji se pojavljuje s tamnim kontrastom označen je zelenom strelicom. Analiza energetsko-disperzijske rendgenske spektroskopije (EDS) pokazuje da je ovaj talog bogat Crom, a siromašan Si. Slika 3(c) je rekonstruirana fazna slika pod efektivnim primijenjenim naponom od 7 V; stoga su autori oduzeli podatke o faznom pomaku dobivene pod primijenjenim naponom od 3 V od onih dobivenih pod 10 V kako bi potisnuli neželjene informacije o fazi kao što su značajne promjene u srednjem unutarnjem potencijalu na položajima precipitata, varijacije debljine uzorka , i magnetsko polje od Ni elektroda. Značajno, došlo je do promjene u razmaku i smjeru konturnih linija u lokalnom području precipitata, što se pripisuje razlici u električnoj vodljivosti između taloga i matrice BaTiO3. Slika 3(d) prikazuje dvodimenzionalnu mapu simuliranog električnog polja temeljenu na modeliranju metode konačnih elemenata (FEM). U ovom modelu, električna vodljivost taloga ·B bitno je manja od vodljivosti matrice ·M. Rezultati na slici 3(d) objašnjavaju nekoliko značajki opažanja (slika 3(c)), kao što je smanjeni razmak konturnih linija unutar taloga i postupna promjena razmaka u području matrice. Vodljivost faze bogate Crom trebala bi biti manja od vodljivosti matrice za dva ili tri reda veličine. Ova metoda može dovesti do dubljeg razumijevanja odnosa između složene mikrostrukture i funkcionalnosti materijala u kondenzatorima koji se široko koriste u industriji.

2.4 Karakterizacija stijenki nabijene domene u feroelektričnom materijalu

Nakajima et al.20) ispitivali su CDW strukture60) u Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) koristeći TEM. Feroelektricitet u CSTO promatran je i konvencionalnim mjerenjima električne polarizacije i mikroskopijom sile piezorodziva.61) Potonji je otkrio dvije vrste CDW u CSTO u smislu polariteta i vodljivosti: visoko vodljive stijenke "head-to-head" i niske vodljivost zidova "repa do repa". CDW obećavaju za aplikacije uređaja jer se njihovom morfologijom i vodljivošću može kontrolirati električnim poljima i drugim fizikalnim fenomenima.6267) Nakajima et al.20) koristili su snimanje tamnog polja, koje se temelji na slomu Friedelovog zakona, za određivanje mikrostrukture karakteristike ODKB-a. HAADF-STEM promatranja pokazala su nepravilnost slaganja u blokovima sa strukturom perovskita. Nadalje, elektronska holografija je otkrila područja nepravilnog slaganja koja proizvode promjene srednjeg unutarnjeg potencijala zbog sadržaja Sr. Ove mikroskopske studije poboljšavaju naše razumijevanje mehanizama po kojima se feroelektrične domene razvijaju u CSTO.

2.5 Analiza sekundarnih elektrona oko nabijenog epoksidnog filma

Do sada smo opisali razneTEM tehnikeza znanost o materijalima, uključujući metode za promatranje električnih polja elektronskom holografijom. Kao proširenje ovih studija, jedna od najzanimljivijih tema je vizualizacija gibanja elektrona jer elektromagnetska polja proizlaze iz tih gibanja. Najranije od tih studija usredotočilo se na učinak naboja na biološke uzorke.68,69) Akumulacija i distribucija elektrona naknadno su promatrani za različite izolacijske materijale, s najvećom pažnjom posvećenom njihovim površinama.

Sato et al.19) proučavali su distribuciju sekundarnih elektrona oko nabijenog epoksidnog filma pripremljenog ultramikrotomijom. Slika 4(a) prikazuje rekonstruiranu faznu sliku tankog filma epoksidne smole (tamno-smeđe područje). Električni potencijal površine uzorka procijenjen je na 1,2 V u usporedbi sa simuliranom rekonstruiranom slikom. Iako na površini uzorka nisu prisutni metalni elementi, smatra se da je učinak naboja potisnut zračenjem sekundarnih elektrona s potporne ploče uzorka u blizini promatranog područja. Rekonstruirana slika amplitude na slici 4(b) pokazuje crvene regije oko površine epoksidne smole, za koje se smatra da odgovaraju visokoj gustoći sekundarnih elektrona koji su u snažnoj interakciji s površinom pozitivno nabijenog uzorka. Konkretno, u konkavnom području označenom strelicom na slici 4(b), vidljivo je jarko crveno područje; ovo područje odgovara velikoj fluktuaciji električnog polja zbog interakcije akumuliranih sekundarnih elektrona s površinom. Nakon promatranja holograma epoksidne smole, obje strane tankog uzorka ozračene su FIB sustavom koristeći snop slabih Ga+-iona. Intenzitet snopa bio je 0.85 © 103 mC·m¹2, što je 200 puta manje od intenziteta koji se obično koristi za poliranje uzoraka. Rekonstruirana fazna slika na slici 4(c) pokazuje da električni potencijal uzorka postaje 1,0 V prema rezultatima simulacije. Električni potencijal uzorka prije i poslije ozračivanja nije se bitno razlikovao jer je korišten slabi snop iona Ga+-. Na rekonstruiranoj slici amplitude na slici 4(d), obojena područja opažena na slici 4(b) više nisu vidljiva. Stoga je raspodjela sekundarnih elektrona koji snažno djeluju na površinu pozitivno nabijene epoksidne smole osjetljiva na prisutnost metalnih elemenata na površini.

Slika 4 (a) Rekonstruirana fazna slika ultramikrotomske epoksidne smole. (b) Rekonstruirana amplitudna slika smole. (c) Rekonstruirana fazna slika FIB obrađene smole. (d) Rekonstruirana amplitudna slika FIB obrađene smole.19)