Avansert elektronmikroskopi for materialvitenskap

Denne artikkelen presenterer aktuelle forskningstrender innenavanserte elektronmikroskopiteknikkerfor materialvitenskap. Undersøkelsen er basert på spesialnummeret avMaterialtransaksjonerpublisert i oktober 2019 (Vol. 60, nr. 10). Avansert elektronmikroskopi har blitt brukt mye for å karakterisere ulike materialer. Den siste utviklingen og utvidelsen av analyser av elektriskfifelter og de kollektive bevegelsene til sekundære elektroner vedpå stedetelektronholografi diskuteres i detalj.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Mottatt 14. mai 2021; Godtatt 12. juli 2021; Publisert 3. september 2021)

Nøkkelord:elektronholografi, dynamisk diffraksjon, in situ eksperiment, elektrisk felt, sekundærelektron

Supportive Service Of Wecistanche - Den største cistanche-eksportøren i Kina:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf:+86 15292862950

Handle for flere spesifikasjoner:

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

KLIKK HER FOR Å FÅ NATURLIG ORGANISK CISTANCHE EKSTRAKT MED 25 % ECHINACOSIDE OG 9 % ACTEOSIDE FOR NYREFUNKSJON

1. Introduksjon

Transmisjonselektronmikroskopi(TEM) har blitt brukt til å klargjøre mikrostrukturene til ulikefunksjonelle materialer, oghøy oppløsningTEM15) har blitt brukt til å observere atomarrangement direkte. Slike detaljerte atomarrangementer projisert ned langs den innfallende elektronstrålen kan observeres med en oppløsningsgrense på mindre enn 0.1 nm. Ved å bruke mikroprober mindre enn 0.1 nm og stråleskanningssystemer, skannetransmisjonelektronmikroskopi(STEM) brukes for å oppnåelementær kartlegging på atomnivå.69) I tillegg til denne forbedringen i oppløsning, har forskere utviklet teknikker for å analysere fordelingen av det elektromagnetiske feltet i og utenfor prøvene ved å fokusere på faseinformasjonen tilinnfallende elektronstråle. En typisk teknikk er elektronholografi, som utnytter interferensen fra elektronbølger.1013)

Selv om det finnes en rekke anmeldelses- og oversiktsartikler, inkludert bøker, som beskriver bruken av TEM i materialvitenskap, 4,14,15) ble det publisert en spesialutgave i oktober 2019 i Materials Transactions (Vol. 60, No. 10) under tittelen "Utvikling og anvendelse av avanserte elektronmikroskopiteknikker for materialvitenskap". Denne spesialutgaven inneholder totalt fem artikler som dekker forskning på bølgeatferden til elektroner16,17) og analyser av materialer og enheter ved bruk av elektronholografi.18,19) I tillegg til elektronholografi, ulike teknikker som mørkfeltsavbildning og høy -angle ringar dark-field (HAADF) STEM-observasjoner har blitt brukt tilkarakterisere ladede domene vegger(CDW) i ferroelektriske materialer.20) Videre er det nylig publisert omfattende TEM-baserte analyser.2123)

Før denne spesialutgaven ble publisert, ble det 27. møtet i Materials Science and Engineering Research Society holdt ved Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Tohoku University, med temaet "Nylige trender i materialegenskaper og mikroskopiteknikker". Dette spesialnummeret ble satt sammen ved å samle inn papirer fra noen av møtedeltakerne. Om elektronholografi er oversiktsartikler tilgjengelig.13,24) Dessuten er det nylig publisert en mikroskopisk utgave om "Electron Interference Microscopy".2535) I de følgende avsnittene gjennomgår vi spesialutgaven av Materials Transactions (Vol. 60, nr. 10), og presentere den siste forskningsutviklingen til vår forskningsgruppe knyttet til spesialproblematikken.

2. Gjennomgang av spesialproblemet

2.1 Generering og kontroll av elektronvirvelstråler

I den spesielle Materials Transactions-utgaven om "Development and Application of Advanced Electron Microscopy Techniques for Materials Science", rapporterte Harada et al.16) generering av virvelstråler ved å bruke gaffelformede gitter produsert av instrumenter med fokusert ionstråle (FIB) for å avklare ytelsen til virvelbjelker. De genererte virvelstråler ved å bruke et optisk elektrondiffraksjonssystem med liten vinkel36) og kontrollerte også virvelstråler med suksess ved å endre formene og størrelsene på åpninger. Elektronvirvelstrålene kan bære vinkelmomenta mens de forplanter seg ing3740) og kan potensielt brukes til å oppdage den magnetiske fluksen vinkelrett på prøveplanet på grunn av dets vinkelmomentum, i tillegg til komponentene i planet (vinkelrett på elektronstrålen) til magnetisk fluks på grunn av Lorenz-kraften.4143) Videre kan elektronvirvelstråler potensielt brukes til mikrofabrikasjon og magnetiseringskontroll. Disse mulige bruksområdene indikerer at elektronvirvelstråler og andre utvidede elektronstråler som Bessel-stråler er potensielle neste generasjons elektronstråleteknologier.4447)

2.2 Effekt av dynamisk elektrondiffraksjon på elektronfaseskift

Den nevnte spesialutgaven av Materials Transactions inkluderer Akase et al.' 17) undersøkelse av effekten av dynamisk elektrondiffraksjon på faseforskyvningen4851) i elektronhologrammer registrert fra et kileformet eksemplar av enkeltkrystall Si rundt en Bragg-diffraksjonstilstand. Resultatene deres viser at det effektive indre potensialet avhenger av retningen til den innfallende elektronstrålen, spesielt nær Bragg-tilstanden. Den karakteristiske faseforskyvningen har blitt analysert ved hjelp av den dynamiske teorien om elektrondiffraksjon.52)

Figur 1 viser lysfeltbilder, rekonstruerte fasebilder og faseforskyvningsprofiler uten (a) og med (b) 220 Bragg-tilstanden. Når prøven ikke tilfredsstiller Bragg-betingelsen, øker faseforskyvningen proporsjonalt med prøvetykkelsen, som vist i fig. 1(a). Imidlertid, når prøven tilfredsstiller 220 Bragg-betingelsen, som vist i fig. 1(b), hopper faseforskyvningen ³ radianer ved posisjoner der mørke tykkelseskanter vises i det tilsvarende lysfeltbildet. Disse ³ radianhoppene kan forklares av den dynamiske teorien om elektrondiffraksjon, som vist i fig. 2. Hver kolonne i fig. 2 viser forskjellige diffraksjonsforhold. Den øvre raden viser plott av den komplekse verdien av ¼0 exp(¹2³i«t) på det komplekse planet med tykkelsen t som parameter, der ¼0 er en bølgefunksjon av objektbølgen og » er bølgetallvektoren for de innfallende elektronene i et vakuum. Amplituden til denne komplekse verdien tilsvarer kvadratroten av intensiteten, og vinkelen til den komplekse verdien tilsvarer faseforskyvningen. Tykkelsen varierer fra 0 til 300 nm. Dataene som tilsvarer 2080 nm er plottet som røde tykke linjer i fig. 2. De midtre og nedre radene viser henholdsvis intensiteten og faseforskyvningen plottet som funksjoner av tykkelsen t. I den midtre kolonnen i fig. 2 er prøven under en eksakt 220 Bragg-diffraksjonstilstand, hvor banen til ¼0 exp(¹2³i«t) skjærer opprinnelsen til det komplekse planet. Ved tykkelsen av krysset er amplituden til den komplekse verdien null; den tilsvarende posisjonen i lysfeltbildet ser derfor mørkt ut. Spesielt ble fasen til ¼0 exp(¹2³i«t) snudd over opphavet til det komplekse planet. Derfor viser faseforskyvningsprofilen hopp på ³ ved de mørke tykkelseskantene. Venstre og høyre kolonne i fig. 2 viser resultatene når tegnet på eksitasjonsfeilen til 220-refleksjonen er henholdsvis negativt og positivt. I disse tilfellene vises også en tykkelseskant i lysfeltbildet; intensiteten av mørkekanten blir imidlertid ikke null (se en midtre rad i fig. 2), og ingen hopp observeres i faseforskyvningsprofilen (se en nedre rad i fig. 2). Spesielt avhenger gradienten av faseforskyvningen til tykkelsen, dvs. det "effektive indre potensialet", av tegnet på eksitasjonsfeilen til 220-refleksjonene (se en nedre rad i fig. 2). Denne tendensen ble bekreftet av en serie eksperimentelt rekonstruerte fasebilder med forskjellige innfallende stråleretninger.

2.3 Elektrisk feltanalyse av utfellinger i flerlags keramisk kondensator

Kawamoto et al. har demonstrert en unik karakteriseringsmetode basert på elektronholografi for å bestemme de elektriske egenskapene til submikrometerutfellinger produsert i flerlags keramiske kondensatorer (MLCC).18) De viste at ekvipotensialkonturlinjer presenterer viktig informasjon om den elektriske ledningsevnen til submikronutfellinger i enterskala dannet i kommersielle BaTiO3 MLCC-er. Forskere har rapportert at tilsatt Mg og sjeldne jordartselementer spiller en viktig rolle i å kontrollere temperaturavhengigheten til dielektrisitetskonstanten.53) Tilsetning av slike elementer induserer imidlertid kompleks utfelling i den dielektriske substansen (f.eks. en Cr-rik fase, 54) Si-rik fase,55) og andre). Fordi disse utfellingene har dielektriske konstanter som avviker vesentlig fra BaTiO3-matrisen, vil de sannsynligvis forringe ytelsen til kondensatoren. Derfor er det viktig å studere de lokale elektriske egenskapene i nærheten av utfellinger i submikrometerskala.

I sin studie har Kawamoto et al. brukte elektronholografi med håndtering av mikroprober i TEM5658) for å karakterisere utfellinger i submikrometerskala dannet i MLCCs59) og identifisere objektene som forårsaker skadelige elektriske sammenbrudd. Figur 3(a) viser skjematisk en tynnfolieprøve (20 µm © 6 µm © 100 nm) med en stablet konfigurasjon som omfatter en Ni-katode, en dielektrisk substans (BaTiO3) og en Ni-anode. Legg merke til at katoden og anoden er fysisk koblet til Pt-stifter, som kommer i kontakt med metalliske PtIr-sonder når en elektrisk spenning påføres prøven. Figur 3(b) viser et ADF-STEM-bilde av prøven. Et bunnfall som vises med mørk kontrast, er indikert med en grønn pil. Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) analyse viser at dette bunnfallet er rikt på Cr og fattig på Si. Figur 3(c) er et rekonstruert fasebilde under en effektiv påtrykt spenning på 7 V; Forfatterne trakk derfor faseforskyvningsinformasjonen som ble oppnådd under en påført spenning på 3 V fra den som ble oppnådd under 10 V for å undertrykke uønsket faseinformasjon, slik som betydelige endringer i det gjennomsnittlige indre potensialet ved posisjonene til utfellingene, tykkelsesvariasjoner i prøven , og magnetfeltet fra Ni-elektrodene. Spesielt skjedde det en endring i både avstanden og retningene til konturlinjene i det lokale området av bunnfallet, noe som ble tilskrevet forskjellen i den elektriske ledningsevnen mellom bunnfallet og BaTiO3-matrisen. Figur 3(d) viser et todimensjonalt simulert elektrisk feltkart basert på finite element method (FEM) modellering. I denne modellen er den elektriske ledningsevnen til bunnfallet ·B vesentlig mindre enn ledningsevnen til matrisen ·M. Resultatene i fig. 3(d) forklarer flere trekk ved observasjonene (fig. 3(c)), slik som redusert avstand mellom konturlinjene innenfor bunnfallet og den gradvise endringen i avstanden i matriseområdet. Konduktiviteten til den Cr-rike fasen bør være mindre enn matrisens med to eller tre størrelsesordener. Denne metoden kan føre til en dypere forståelse av forholdet mellom den komplekse mikrostrukturen og materialfunksjonene i kondensatorer som er mye brukt i industrien.

2.4 Karakterisering av ladede domenevegger i ferroelektrisk materiale

Nakajima et al.20) undersøkte CDW-strukturer60) i Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) ved bruk av TEM. Ferroelektrisitet i CSTO har blitt observert både ved konvensjonelle elektriske polarisasjonsmålinger og ved piezoresponskraftmikroskopi.61) Sistnevnte avslørte to typer CDW-er i CSTO når det gjelder polaritet og konduktivitet: høykonduktivitet "head-to-head" vegger og lav- ledningsevne "hale-til-hale" vegger. CDW-er er lovende for enhetsapplikasjoner fordi deres morfologi og ledningsevne kan kontrolleres av elektriske felt og andre fysiske fenomener.6267) Nakajima et al.20) brukte mørkfeltsavbildning, som er basert på sammenbruddet av Friedels lov, for å bestemme den mikrostrukturelle egenskaper ved CSTO. HAADF-STEM-observasjoner har vist uregelmessighet i stablingen i de perovskittstrukturerte blokkene. Videre har elektronholografi avslørt områder med uregelmessig stabling som produserer endringer i det gjennomsnittlige indre potensialet på grunn av Sr-innholdet. Disse mikroskopistudiene forbedrer vår forståelse av mekanismene som ferroelektriske domener utvikler seg i CSTO.

2.5 Analyse av sekundære elektroner rundt en ladet epoksyfilm

Vi har så langt beskrevet ulikeTEM-teknikkerfor materialvitenskap, inkludert metoder for å observere elektriske felt ved elektronholografi. Som en forlengelse av disse studiene er et av de mest interessante emnene å visualisere elektronenes bevegelse fordi elektromagnetiske felt stammer fra disse bevegelsene. De tidligste av disse studiene fokuserte på ladeeffekten på biologiske prøver.68,69) Akkumulering og distribusjon av elektroner ble deretter observert for ulike isolasjonsmaterialer, med den største oppmerksomheten viet deres overflater.

Sato et al.19) studerte fordelingen av sekundære elektroner rundt en ladet epoksyfilm fremstilt ved ultramikrotomi. Figur 4(a) viser et rekonstruert fasebilde av en tynn film av epoksyharpiks (mørkebrunt område). Det elektriske potensialet til prøvens overflate ble estimert til å være 1,2 V ved sammenligning med et simulert rekonstruert bilde. Selv om ingen metalliske elementer var tilstede på overflaten av prøven, ble ladeeffekten ansett å være undertrykt av bestråling av sekundære elektroner fra prøvestøtteplaten nær det observerte området. Det rekonstruerte amplitudebildet i fig. 4(b) viser røde områder rundt overflaten av epoksyharpiksen, som anses å tilsvare en høy tetthet av sekundære elektroner som sterkt interagerer med overflaten til den positivt ladede prøven. Spesielt, i det konkave området indikert med pilen i fig. 4(b), er et klart rødt område tydelig; dette området tilsvarer en stor elektrisk feltfluktuasjon på grunn av samspillet mellom de akkumulerte sekundære elektronene med overflaten. Etter at et hologram av epoksyharpiksen ble observert, ble begge sider av den tynne prøven bestrålt med et FIB-system ved bruk av en svak Ga+-ionstråle. Stråleintensiteten var 0.85 © 103 mC·m¹2, som er 200 ganger mindre enn det som vanligvis brukes til å polere prøver. Det rekonstruerte fasebildet i fig. 4(c) viser at det elektriske potensialet til prøven blir 1,0 V i henhold til simuleringsresultatene. Det elektriske potensialet til prøven før og etter bestråling var ikke vesentlig forskjellig fordi en svak Ga+--ionestråle ble brukt. I det rekonstruerte amplitudebildet i fig. 4(d), er de fargede områdene observert i fig. 4(b) ikke lenger synlige. Dermed er fordelingen av sekundære elektroner som interagerer sterkt med overflaten av den positivt ladede epoksyharpiksen følsom for tilstedeværelsen av metalliske elementer på overflaten.

Fig. 4 (a) Rekonstruert fasebilde av ultramikrotom epoksyharpiks. (b) Rekonstruert amplitudebilde av harpiks. (c) Rekonstruert fasebilde av FIB-bearbeidet harpiks. (d) Rekonstruert amplitudebilde av FIB-behandlet harpiks.19)