Napredna elektronska mikroskopija za znanost o materialih

Ta članek predstavlja trenutne raziskovalne trende vnapredne tehnike elektronske mikroskopijeza znanost o materialih. Raziskava temelji na posebni številkiMaterialne transakcijeobjavljeno oktobra 2019 (let. 60, št. 10). Napredna elektronska mikroskopija se v veliki meri uporablja za karakterizacijo različnih materialov. Nedavni razvoj in razširitev analiz električnihfipolja in skupna gibanja sekundarnih elektronov poin situpodrobno obravnavana elektronska holografija.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Prejeto 14. maja 2021; sprejeto 12. julija 2021; objavljeno 3. septembra 2021)

Ključne besede:elektronska holografija, dinamična difrakcija, eksperiment in situ, električno polje, sekundarni elektron

Podporna storitev Wecistanche-največjega izvoznika cistanche na Kitajskem:

E-pošta:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/telefon:+86 15292862950

Trgovina za več podrobnosti o specifikacijah:

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

KLIKNITE TUKAJ ZA NARAVNI ORGANSKI IZVLEČEK CISTANCHE S 25 % EHINAKOZIDA IN 9 % AKTEOZIDA ZA DELOVANJE LEDVIC

1. Uvod

Transmisijska elektronska mikroskopija(TEM) je bil uporabljen za razjasnitev mikrostruktur različnihfunkcionalni materiali, invisoka ločljivostTEM15) je bil uporabljen za neposredno opazovanje atomskih ureditev. Takšne podrobne atomske ureditve, projicirane navzdol vzdolž vpadnega elektronskega žarka, je mogoče opazovati z mejo ločljivosti manj kot 0,1 nm. Z uporabo mikrosond, manjših od 0.1 nm, in sistemov za skeniranje žarkov, prenos skeniranjaelektronska mikroskopija(STEM) se uporablja za pridobivanjeelementarno preslikavo na atomski ravni.69) Poleg tega izboljšanja ločljivosti so raziskovalci razvili tehnike za analizo porazdelitve elektromagnetnega polja znotraj in zunaj vzorcev z osredotočanjem na informacije o fazivpadni elektronski žarek. Tipična tehnika je elektronska holografija, ki uporablja interferenco valovanja elektronov.1013)

Čeprav so na voljo številni recenzijski in pregledni članki, vključno s knjigami, ki opisujejo uporabo TEM v znanosti o materialih,4,14,15) je bila oktobra 2019 objavljena posebna številka v Materials Transactions (Vol. 60, No. 10) pod naslovom "Razvoj in uporaba naprednih tehnik elektronske mikroskopije v znanosti o materialih". Ta posebna številka vsebuje skupno pet člankov, ki pokrivajo raziskave valovnega obnašanja elektronov16,17) ter analize materialov in naprav z uporabo elektronske holografije.18,19) Poleg elektronske holografije so različne tehnike, kot so slikanje v temnem polju in visoke -kotna obročasta opazovanja temnega polja (HAADF) so bila uporabljena zakarakterizirajo stene naelektrene domene(CDW) v feroelektričnih materialih.20) Poleg tega so bile nedavno objavljene obsežne analize, ki temeljijo na TEM.2123)

Preden je izšla ta posebna številka, je na Inštitutu za multidisciplinarne raziskave naprednih materialov Univerze Tohoku potekalo 27. srečanje Raziskovalnega društva za materiale in inženirstvo s temo "Nedavni trendi v lastnostih materialov in tehnikah mikroskopije". To posebno številko smo sestavili z zbiranjem prispevkov nekaterih udeležencev srečanja. O elektronski holografiji so na voljo pregledni članki.13,24) Prav tako je bila nedavno objavljena posebna številka Microscopy o "Electron Interference Microscopy".2535) V naslednjih razdelkih pregledamo posebno številko Materials Transactions (Vol. 60, št. 10) in predstaviti najnovejše raziskave naše raziskovalne skupine v zvezi s specialko.

2. Pregled posebne številke

2.1 Generiranje in krmiljenje elektronskih vrtinčnih žarkov

V posebni izdaji Materials Transactions o "Razvoju in uporabi naprednih tehnik elektronske mikroskopije za znanost o materialih" je Harada et al.16 poročal o ustvarjanju vrtinčnih žarkov z uporabo rešetk v obliki vilic, izdelanih z instrumenti s fokusiranim ionskim žarkom (FIB) za razjasnitev delovanje vrtinčnih žarkov. Generirali so vrtinčne žarke z uporabo optičnega sistema elektronske difrakcije z majhnim kotom36) in tudi uspešno nadzorovali vrtinčne žarke s spreminjanjem oblik in velikosti odprtin. Elektronski vrtinčni žarki lahko prenašajo kotne momente med širjenjem3740) in jih je mogoče potencialno uporabiti za zaznavanje magnetnega toka, pravokotnega na ravnino vzorca, zaradi njegovega kotnega momenta, poleg ravninskih komponent (pravokotnih na elektronski žarek) magnetni tok zaradi Lorenzove sile.4143) Poleg tega se elektronski vrtinčni žarki potencialno lahko uporabljajo za mikroizdelovanje in nadzor magnetizacije. Te možne uporabe kažejo, da so elektronski vrtinčni žarki in drugi razširjeni elektronski žarki, kot so Besselovi žarki, potencialne tehnologije elektronskega žarka naslednje generacije.4447)

2.2 Vpliv dinamičnega uklona elektronov na fazni premik elektronov

Zgoraj omenjena posebna izdaja Materials Transactions vključuje Akase et al.' 17) raziskava učinka dinamičnega uklona elektronov na fazni premik4851) v elektronskih hologramih, posnetih iz klinastega vzorca monokristalnega Si okoli pogojev Braggovega uklona. Njihovi rezultati kažejo, da je efektivni notranji potencial odvisen od smeri vpadnega elektronskega žarka, zlasti blizu Braggovega pogoja. Značilni fazni premik je bil analiziran z uporabo dinamične teorije elektronske difrakcije.52)

Slika 1 prikazuje slike svetlega polja, rekonstruirane fazne slike in profile faznega zamika brez (a) in z (b) 220 Braggovim pogojem. Ko vzorec ne izpolnjuje Braggovega pogoja, se fazni zamik poveča sorazmerno z debelino vzorca, kot je prikazano na sliki 1(a). Ko pa vzorec izpolnjuje 220 Braggov pogoj, kot je prikazano na sliki 1(b), fazni zamik skoči ³ radianov na položajih, kjer se na ustrezni sliki svetlega polja pojavijo temne debelinske obrobe. Te skoke v radianih ³ je mogoče razložiti z dinamično teorijo elektronske difrakcije, kot je prikazano na sliki 2. Vsak stolpec na sliki 2 prikazuje različne pogoje uklona. Zgornja vrstica prikazuje grafike kompleksne vrednosti ¼0 exp(¹2³i«t) na kompleksni ravnini z debelino t kot parametrom, kjer je ¼0 valovna funkcija valovanja objekta in » je vektor valovnega števila za vpadne elektrone v vakuumu. Amplituda te kompleksne vrednosti ustreza kvadratnemu korenu intenzitete, kot kompleksne vrednosti pa ustreza faznemu zamiku. Debelina se giblje od 0 do 300 nm. Podatki, ki ustrezajo 2080 nm, so narisani kot rdeče krepke črte na sliki 2. Srednja in spodnja vrstica prikazujeta intenzivnost in fazni zamik, ki sta narisana kot funkciji debeline t. V srednjem stolpcu na sliki 2 je vzorec pod natančnim Braggovim uklonom 220, kjer trajektorija ¼0 exp(¹2³i«t) seka izhodišče kompleksne ravnine. Pri debelini presečišča je amplituda kompleksne vrednosti nič; zato je ustrezen položaj na sliki svetlega polja videti temen. Predvsem je bila faza ¼0 exp(¹2³i«t) obrnjena čez izhodišče kompleksne ravnine. Zato profil faznega premika kaže skoke ³ na robovih temne debeline. Levi in ​​desni stolpec na sliki 2 prikazujeta rezultate, ko je predznak napake vzbujanja odboja 220 negativen oziroma pozitiven. V teh primerih se na sliki svetlega polja pojavi tudi rob debeline; vendar intenzivnost temne obrobe ne postane enaka nič (glej srednjo vrstico na sliki 2) in v profilu faznega premika ni opaziti skokov (glej spodnjo vrstico na sliki 2). Predvsem je gradient faznega premika v debelino, tj. "efektivni notranji potencial", odvisen od predznaka napake vzbujanja 220 odbojev (glej spodnjo vrstico na sliki 2). To težnjo je potrdila serija eksperimentalno rekonstruiranih faznih slik z različnimi smermi vpadnega žarka.

2.3 Analiza električnega polja izločkov v večplastnem keramičnem kondenzatorju

Kawamoto et al. so prikazali edinstveno karakterizacijsko metodo, ki temelji na elektronski holografiji za določanje električnih lastnosti submikrometrskih oborin, proizvedenih v večplastnih keramičnih kondenzatorjih (MLCC).18) Pokazali so, da ekvipotencialne konturne črte predstavljajo bistvene informacije o električni prevodnosti submikronskih oborin, ki nastanejo v komercialni BaTiO3 MLCC. Raziskovalci so poročali, da imajo dodani Mg in elementi redkih zemelj pomembno vlogo pri nadzoru temperaturne odvisnosti dielektrične konstante.53) Vendar dodajanje takih elementov povzroči kompleksno obarjanje znotraj dielektrične snovi (npr. faza, bogata s Cr, 54) Si-bogata faza,55) in drugi). Ker imajo te oborine dielektrične konstante, ki se bistveno razlikujejo od dielektričnih konstant matrike BaTiO3, bodo verjetno poslabšale delovanje kondenzatorja. Zato je pomembno proučevanje lokalnih električnih lastnosti v bližini submikrometrskih oborin.

V svoji študiji sta Kawamoto et al. uporabil elektronsko holografijo z mikrosondami za rokovanje v TEM5658) za karakterizacijo submikrometrskih oborin, ki nastanejo v MLCC59) in identificiral predmete, ki povzročajo škodljive električne okvare. Slika 3(a) prikazuje shemo vzorca s tanko folijo (20 µm © 6 µm © 100 nm) z zloženo konfiguracijo, ki vsebuje Ni katodo, dielektrično snov (BaTiO3) in Ni anodo. Upoštevajte, da sta katoda in anoda fizično povezani s Pt roglji, ki so v stiku s kovinskimi PtIr sondami, ko je na vzorec priključena električna napetost. Slika 3(b) prikazuje ADF-STEM sliko vzorca. Oborina, ki se pojavi s temnim kontrastom, je označena z zeleno puščico. Analiza energijsko disperzivne rentgenske spektroskopije (EDS) kaže, da je ta oborina bogata s Cr in revna s Si. Slika 3(c) je rekonstruirana fazna slika pod efektivno uporabljeno napetostjo 7 V; tako so avtorji odšteli informacije o faznem premiku, pridobljene pod uporabljeno napetostjo 3 V, od tistih, pridobljenih pod 10 V, da bi preprečili neželene fazne informacije, kot so znatne spremembe srednjega notranjega potenciala na položajih oborin, variacije debeline vzorca , in magnetno polje iz Ni elektrod. Predvsem je prišlo do spremembe tako v razmiku kot v smeri konturnih linij v lokalnem območju oborine, kar je bilo pripisano razliki v električni prevodnosti med oborino in matriko BaTiO3. Slika 3(d) prikazuje dvodimenzionalno simulirano karto električnega polja, ki temelji na modeliranju metode končnih elementov (FEM). V tem modelu je električna prevodnost oborine ·B bistveno manjša od prevodnosti matrike ·M. Rezultati na sliki 3(d) pojasnjujejo več značilnosti opazovanj (slika 3(c)), kot je zmanjšan razmik konturnih črt znotraj oborine in postopna sprememba razmika v območju matrike. Prevodnost faze, bogate s Cr, mora biti manjša od prevodnosti matriksa za dva ali tri rede velikosti. Ta metoda lahko vodi do globljega razumevanja razmerja med kompleksno mikrostrukturo in materialnimi funkcionalnostmi v kondenzatorjih, ki se pogosto uporabljajo v industriji.

2.4 Karakterizacija sten nabitih domen v feroelektričnem materialu

Nakajima et al.20) so pregledali strukture CDW60) v Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) z uporabo TEM. Feroelektričnost v CSTO so opazovali tako s konvencionalnimi meritvami električne polarizacije kot s piezorodzivno mikroskopijo s silo.61) Slednja je razkrila dve vrsti CDW v CSTO glede na polarnost in prevodnost: visokoprevodne stene "glava do glave" in nizko-prevodne stene. prevodnost stene "rep do repa". CDW so obetavni za aplikacije v napravah, ker je njihovo morfologijo in prevodnost mogoče nadzorovati z električnimi polji in drugimi fizikalnimi pojavi.6267) Nakajima et al.20) so za določitev mikrostrukture uporabili slikanje temnega polja, ki temelji na razpadu Friedelovega zakona. značilnosti CSTO. Opazovanja HAADF-STEM so pokazala nepravilnost zlaganja v blokih, strukturiranih s perovskitom. Poleg tega je elektronska holografija razkrila območja nepravilnega zlaganja, ki povzročajo spremembe srednjega notranjega potenciala zaradi vsebnosti Sr. Te mikroskopske študije izboljšujejo naše razumevanje mehanizmov, s katerimi se razvijajo feroelektrične domene v CSTO.

2.5 Analiza sekundarnih elektronov okoli nabitega epoksi filma

Do sedaj smo opisali različneTEM tehnikeza znanost o materialih, vključno z metodami za opazovanje električnih polj z elektronsko holografijo. Kot razširitev teh študij je ena najzanimivejših tem vizualizacija gibanja elektronov, ker elektromagnetna polja izvirajo iz teh gibanj. Najzgodnejša od teh študij se je osredotočala na učinek polnjenja na biološke vzorce.68,69) Kopičenje in porazdelitev elektronov so pozneje opazili pri različnih izolacijskih materialih, pri čemer je bila največja pozornost namenjena njihovim površinam.

Sato et al.19) so preučevali porazdelitev sekundarnih elektronov okoli nabitega epoksi filma, pripravljenega z ultra mikrotomijo. Slika 4(a) prikazuje rekonstruirano fazno sliko tankega filma epoksi smole (temno rjava regija). Električni potencial površine vzorca je bil v primerjavi s simulirano rekonstruirano sliko ocenjen na 1,2 V. Čeprav na površini vzorca ni bilo prisotnih kovinskih elementov, je veljalo, da je učinek naboja zadušen z obsevanjem sekundarnih elektronov iz nosilne plošče vzorca v bližini opazovanega območja. Rekonstruirana amplitudna slika na sliki 4(b) prikazuje rdeče regije okoli površine epoksidne smole, za katere velja, da ustrezajo visoki gostoti sekundarnih elektronov, ki močno interagirajo s površino pozitivno nabitega vzorca. Zlasti v konkavnem območju, označenem s puščico na sliki 4(b), je očitno svetlo rdeče območje; to območje ustreza velikemu nihanju električnega polja zaradi interakcije nakopičenih sekundarnih elektronov s površino. Ko smo opazili hologram epoksidne smole, smo obe strani tankega vzorca obsevali s sistemom FIB s šibkim žarkom Ga+-ionov. Intenzivnost žarka je bila 0.85 © 103 mC·m¹2, kar je 200-krat manj kot intenzivnost, ki se običajno uporablja za poliranje vzorcev. Rekonstruirana fazna slika na sliki 4(c) kaže, da električni potencial vzorca postane 1,0 V glede na rezultate simulacije. Električni potencial vzorca pred in po obsevanju se ni bistveno razlikoval, ker je bil uporabljen šibek žarek ionov Ga+-. V rekonstruirani sliki amplitude na sliki 4 (d) barvna območja, opažena na sliki 4 (b), niso več vidna. Tako je porazdelitev sekundarnih elektronov, ki močno vplivajo na površino pozitivno nabite epoksi smole, občutljiva na prisotnost kovinskih elementov na površini.

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