Avancerad elektronmikroskopi för materialvetenskap

Denna artikel presenterar aktuella forskningstrender inomavancerade elektronmikroskopiteknikerför materialvetenskap. Undersökningen bygger på specialnumret avMaterialtransaktionerpublicerad i oktober 2019 (Vol. 60, No. 10). Avancerad elektronmikroskopi har använts i stor utsträckning för att karakterisera olika material. Den senaste utvecklingen och utvidgningen av analyser av elektriskafifält och sekundära elektroners kollektiva rörelser avpå platselektronholografi diskuteras i detalj.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Mottaget 14 maj 2021; Godkänd 12 juli 2021; Publicerad 3 september 2021)

Nyckelord:elektronholografi, dynamisk diffraktion, in situ experiment, elektriskt fält, sekundär elektron

Supportive Service Of Wecistanche - Den största cistanche-exportören i Kina:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel:+86 15292862950

Handla för fler specifikationer:

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

KLICKA HÄR FÖR ATT FÅ NATURLIGT EKOLOGISKT CISTANCHEEXTRAKT MED 25% ECHINACOSID OCH 9% ACTEOSIDE FÖR NJURFUNKTION

1. Introduktion

Transmissionselektronmikroskopi(TEM) har använts för att klargöra mikrostrukturerna för olikafunktionella material, ochhög upplösningTEM15) har använts för att direkt observera atomarrangemang. Sådana detaljerade atomarrangemang som projiceras ned längs den infallande elektronstrålen kan observeras med en upplösningsgräns på mindre än 0.1 nm. Genom att använda mikrosonder mindre än 0.1 nm och strålskanningssystem, skanningstransmissionelektronmikroskopi(STEM) används för att erhållaelementarkartering på atomnivå.69) Utöver denna förbättring av upplösningen har forskare utvecklat tekniker för att analysera fördelningen av det elektromagnetiska fältet inuti och utanför prover genom att fokusera på fasinformationen förinfallande elektronstråle. En typisk teknik är elektronholografi, som använder interferens från elektronvågor.1013)

Även om många gransknings- och översiktsartiklar, inklusive böcker, som beskriver tillämpningarna av TEM inom materialvetenskap finns tillgängliga,4,14,15) publicerades ett specialnummer i oktober 2019 i Materials Transactions (Vol. 60, No. 10) under titeln "Utveckling och tillämpning av avancerade elektronmikroskopitekniker för materialvetenskap". Detta specialnummer innehåller totalt fem artiklar som täcker forskning om vågbeteende hos elektroner16,17) och analyser av material och anordningar med hjälp av elektronholografi.18,19) Förutom elektronholografi, olika tekniker som mörkfältsavbildning och hög -angle ringar dark-field (HAADF) STEM-observationer har använts förkarakterisera laddade domänväggar(CDW) i ferroelektriska material.20) Vidare har omfattande TEM-baserade analyser nyligen publicerats.2123)

Innan detta specialnummer publicerades hölls det 27:e mötet för Materials Science and Engineering Research Society vid Institutet för multidisciplinär forskning för avancerade material, Tohoku University, med temat "Senaste trender i materialegenskaper och mikroskopitekniker". Detta specialnummer sammanställdes genom att samla in papper från några av mötesdeltagarna. Om elektronholografi finns översiktsartiklar tillgängliga.13,24) Dessutom har ett specialnummer för mikroskopi om "Electron Interference Microscopy" nyligen publicerats.2535) I följande avsnitt granskar vi specialnumret av Materials Transactions (Vol. 60, nr 10), och presentera den senaste forskningsutvecklingen av vår forskargrupp relaterad till specialfrågan.

2. Granskning av specialfrågan

2.1 Generering och styrning av elektronvirvelstrålar

I det speciella materialtransaktionsnumret om "Utveckling och tillämpning av avancerade elektronmikroskopitekniker för materialvetenskap" rapporterade Harada et al.16) generering av virvelstrålar genom att använda gaffelformade gitter tillverkade av instrument med fokuserad jonstråle (FIB) för att klargöra prestanda hos virvelstrålar. De genererade virvelstrålar med hjälp av ett optiskt elektrondiffraktionssystem med liten vinkel36) och kontrollerade även framgångsrikt virvelstrålar genom att ändra form och storlek på öppningar. Elektronvirvelstrålarna kan bära vinkelmoment medan de fortplantar sig ing3740) och kan potentiellt användas för att detektera det magnetiska flödet vinkelrätt mot provets plan på grund av dess vinkelmoment, förutom komponenterna i planet (vinkelrät mot elektronstrålen) i magnetiskt flöde på grund av Lorenzkraften.4143) Vidare kan elektronvirvelstrålar potentiellt användas för mikrotillverkning och magnetiseringskontroll. Dessa möjliga tillämpningar indikerar att elektronvirvelstrålar och andra utökade elektronstrålar såsom Bessel-strålar är potentiella nästa generations elektronstråltekniker.4447)

2.2 Effekt av dynamisk elektrondiffraktion på elektronfasförskjutning

Den tidigare nämnda specialemissionen för materialtransaktioner inkluderar Akase et al.' 17) undersökning av effekten av dynamisk elektrondiffraktion på fasförskjutningen4851) i elektronhologram registrerade från ett kilformat exemplar av enkristall Si runt ett Bragg-diffraktionstillstånd. Deras resultat visar att den effektiva inre potentialen beror på riktningen av den infallande elektronstrålen, särskilt nära Bragg-tillståndet. Den karakteristiska fasförskjutningen har analyserats med hjälp av den dynamiska teorin om elektrondiffraktion.52)

Figur 1 visar ljusfältsbilder, rekonstruerade fasbilder och fasförskjutningsprofiler utan (a) och med (b) 220 Bragg-villkoret. När provet inte uppfyller Bragg-villkoret, ökar fasförskjutningen i proportion till provets tjocklek, såsom visas i Fig. 1(a). Men när provet uppfyller 220 Bragg-villkoret, som visas i Fig. 1(b), hoppar fasförskjutningen ³ radianer vid positioner där mörka tjockleksfransar visas i motsvarande ljusfältsbild. Dessa ³ radianhopp kan förklaras av den dynamiska teorin om elektrondiffraktion, som visas i fig. 2. Varje kolumn i fig. 2 visar olika diffraktionsförhållanden. Den övre raden visar plots av det komplexa värdet av ¼0 exp(¹2³i«t) på det komplexa planet med tjockleken t som parameter, där ¼0 är en vågfunktion av objektvågen och » är vågnummervektorn för de infallande elektronerna i ett vakuum. Amplituden för detta komplexa värde motsvarar kvadratroten av intensiteten, och vinkeln för det komplexa värdet motsvarar fasförskjutningen. Tjockleken sträcker sig från 0 till 300 nm. Data som motsvarar 2080 nm är plottade som röda fetstilta linjer i fig. 2. De mellersta och nedre raden visar intensiteten och fasförskjutningen plottad som funktioner av tjockleken t, respektive. I mittkolumnen i fig. 2 befinner sig provet under ett exakt 220 Bragg-diffraktionsförhållande, där banan på ¼0 exp(¹2³i«t) skär ursprunget för det komplexa planet. Vid skärningens tjocklek är amplituden för det komplexa värdet noll; motsvarande position i ljusfältsbilden ser därför mörk ut. Noterbart var att fasen av ¼0 exp(¹2³i«t) vändes över av det komplexa planets ursprung. Därför visar fasförskjutningsprofilen hopp på ³ vid de mörka tjocklekarna. De vänstra och högra kolumnerna i fig. 2 visar resultaten när tecknet på excitationsfelet för 220-reflektionen är negativt respektive positivt. I dessa fall uppträder också en tjock frans i ljusfältsbilden; den mörka kantens intensitet blir emellertid inte noll (se en mittrad i fig. 2), och inga hopp observeras i fasförskjutningsprofilen (se en nedre rad i fig. 2). I synnerhet beror gradienten för fasförskjutningen till tjockleken, dvs den "effektiva inre potentialen", på tecknet på excitationsfelet för 220-reflektionerna (se en nedre rad i fig. 2). Denna tendens bekräftades av en serie experimentellt rekonstruerade fasbilder med olika infallande strålriktningar.

2.3 Elektrisk fältanalys av fällningar i flerskikts keramisk kondensator

Kawamoto et al. har visat en unik karakteriseringsmetod baserad på elektronholografi för att bestämma de elektriska egenskaperna hos submikrometerutfällningar som produceras i flerlagers keramiska kondensatorer (MLCCs).18) De visade att ekvipotentialkonturlinjer presenterar väsentlig information om den elektriska ledningsförmågan hos submikrona fällningar i enter-skala som bildas i kommersiella BaTiO3 MLCCs. Forskare har rapporterat att tillsatt Mg och sällsynta jordartsmetaller spelar en viktig roll för att kontrollera temperaturberoendet för dielektricitetskonstanten.53) Men tillsatsen av sådana element inducerar komplex utfällning i den dielektriska substansen (t.ex. en Cr-rik fas, 54) Si-rik fas,55) och andra). Eftersom dessa fällningar har dielektriska konstanter som avsevärt skiljer sig från BaTiO3-matrisen, kommer de sannolikt att försämra prestanda hos kondensatorn. Det är därför viktigt att studera de lokala elektriska egenskaperna i närheten av utfällningar i submikrometerskala.

I sin studie har Kawamoto et al. använde elektronholografi med hantering av mikrosonder i TEM5658) för att karakterisera fällningar i submikrometerskala som bildas i MLCCs59) och identifiera de objekt som orsakar skadliga elektriska sammanbrott. Figur 3(a) visar ett schema över ett tunnfolieprov (20 µm © 6 µm © 100 nm) med en staplad konfiguration innefattande en Ni-katod, en dielektrisk substans (BaTiO3) och en Ni-anod. Observera att katoden och anoden är fysiskt anslutna till Pt-stift, som kommer i kontakt med metalliska PtIr-sonder när en elektrisk spänning appliceras på provet. Figur 3(b) visar en ADF-STEM-bild av provet. En fällning som uppträder med mörk kontrast indikeras med en grön pil. Energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) analys visar att denna fällning är rik på Cr och fattig på Si. Figur 3(c) är en rekonstruerad fasbild under en effektiv pålagd spänning på 7 V; sålunda subtraherade författarna fasförskjutningsinformationen som erhållits under en pålagd spänning på 3 V från den som erhölls under 10 V för att undertrycka oönskad fasinformation såsom väsentliga förändringar i den inre medelpotentialen vid fällningarnas positioner, tjockleksvariationer i provet och magnetfältet från Ni-elektroderna. Noterbart skedde en förändring i både avståndet och riktningarna för konturlinjerna i det lokala området för fällningen, vilket tillskrevs skillnaden i den elektriska ledningsförmågan mellan fällningen och BaTiO3-matrisen. Figur 3(d) visar en tvådimensionell simulerad elektrisk fältkarta baserad på finita elementmetoden (FEM)-modellering. I denna modell är den elektriska ledningsförmågan för fällningen ·B väsentligt mindre än ledningsförmågan för matrisen ·M. Resultaten i fig. 3(d) förklarar flera egenskaper hos observationerna (fig. 3(c)), såsom det minskade avståndet mellan konturlinjerna inom fällningen och den gradvisa förändringen av avståndet i matrisområdet. Konduktiviteten för den Cr-rika fasen bör vara mindre än matrisens med två eller tre storleksordningar. Denna metod kan leda till en djupare förståelse av sambandet mellan den komplexa mikrostrukturen och materialfunktionerna i kondensatorer som används allmänt inom industrin.

2.4 Karakterisering av laddade domänväggar i ferroelektriskt material

Nakajima et al.20) undersökte CDW-strukturer60) i Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) med hjälp av TEM. Ferroelektricitet i CSTO har observerats både genom konventionella elektriska polarisationsmätningar och genom piezoresponskraftmikroskopi.61) Den senare avslöjade två typer av CDW i CSTO när det gäller polaritet och konduktivitet: högkonduktivitet "head-to-head" väggar och låg- ledningsförmåga "svans-till-svans" väggar. CDW:er är lovande för enhetstillämpningar eftersom deras morfologi och konduktivitet kan styras av elektriska fält och andra fysiska fenomen.6267) Nakajima et al.20) använde mörkfältsavbildning, som är baserad på nedbrytningen av Friedels lag, för att bestämma den mikrostrukturella egenskaper hos CSTO. HAADF-STEM-observationer har visat oregelbundenhet i staplingen i de perovskitstrukturerade blocken. Vidare har elektronholografi avslöjat områden med oregelbunden stapling som producerar förändringar i den genomsnittliga inre potentialen på grund av Sr-innehållet. Dessa mikroskopistudier förbättrar vår förståelse av de mekanismer genom vilka ferroelektriska domäner utvecklas i CSTO.

2.5 Analys av sekundära elektroner runt en laddad epoxifilm

Vi har hittills beskrivit olikaTEM-teknikerför materialvetenskap, inklusive metoder för att observera elektriska fält genom elektronholografi. Som en förlängning av dessa studier är ett av de mest intressanta ämnena visualisering av elektroners rörelse eftersom elektromagnetiska fält härrör från dessa rörelser. Den tidigaste av dessa studier fokuserade på laddningseffekten på biologiska prover.68,69) Ackumuleringen och distributionen av elektroner observerades därefter för olika isoleringsmaterial, med yttersta uppmärksamhet ägnad åt deras ytor.

Sato et al.19) studerade fördelningen av sekundära elektroner runt en laddad epoxifilm framställd genom ultramikrotomi. Figur 4(a) visar en rekonstruerad fasbild av en tunn film av epoxiharts (mörkbrunt område). Den elektriska potentialen för provets yta uppskattades till 1,2 V i jämförelse med en simulerad rekonstruerad bild. Även om inga metalliska element fanns på provets yta, ansågs laddningseffekten vara undertryckt genom bestrålning av sekundära elektroner från provets stödplatta nära det observerade området. Den rekonstruerade amplitudbilden i fig. 4(b) visar röda områden runt ytan av epoxihartset, vilket anses motsvara en hög densitet av sekundära elektroner som starkt interagerar med ytan på det positivt laddade provet. I synnerhet i det konkava området som indikeras av pilen i fig. 4(b) är ett klart rött område uppenbart; detta område motsvarar en stor elektrisk fältfluktuation på grund av de ackumulerade sekundära elektronernas interaktion med ytan. Efter att ett hologram av epoxihartset observerats bestrålades båda sidorna av det tunna provet med ett FIB-system med en svag Ga+-jonstråle. Strålintensiteten var 0.85 © 103 mC·m¹2, vilket är 200 gånger mindre än det som vanligtvis används för att polera prover. Den rekonstruerade fasbilden i fig. 4(c) visar att provets elektriska potential blir 1,0 V enligt simuleringsresultaten. Den elektriska potentialen för provet före och efter bestrålning skilde sig inte väsentligt eftersom en svag Ga+--jonstråle användes. I den rekonstruerade amplitudbilden i fig. 4(d) är de färgade områdena som observeras i fig. 4(b) inte längre synliga. Således är fördelningen av sekundära elektroner som interagerar starkt med ytan av det positivt laddade epoxihartset känslig för närvaron av metalliska element på ytan.

Fig. 4 (a) Rekonstruerad fasbild av ultramikrotom epoxiharts. (b) Rekonstruerad amplitudbild av harts. (c) Rekonstruerad fasbild av FIB-bearbetat harts. (d) Rekonstruerad amplitudbild av FIB-behandlat harts.19)