Direkte atomopløst billeddannelse af magnetiske materialer

I konventionelle elektronmikroskoper, at udføre atomopløsningsobservationer af magnetiske materialer er særligt vanskeligt, fordi høje magnetiske felter uundgåeligt udøves på prøver inde i den magnetiske objektivlinse. Nyudviklet magnetisk objektivlinsesystem giver et magnetfeltfrit miljø ved prøvepositionen. Dette muliggør direkte, atomopløst billeddannelse af magnetiske materialer såsom siliciumstål. Dette nye elektronmikroskop forventes at blive brugt i vid udstrækning til forskning og udvikling af avancerede magnetiske materialer.

Under JST-SENTAN-programmet (udvikling af system og teknologi til avanceret måling og analyse, Japan Science and Technology Agency), det fælles udviklingsteam af prof. Naoya Shibata ved University of Tokyo og JEOL Ltd., har udviklet et revolutionerende elektronmikroskop, der indeholder nydesignede magnetiske objektivlinser, og opnået direkte, atomopløst billeddannelse af materialer med sub-Å rumlig opløsning, med et resterende magnetfelt på mindre end 0,2 mT ved prøvepositionen. Så vidt vi ved, det er første gang, at et sådant mål er nået.

I de 88 år siden den afgørende opfindelse af transmissionselektronmikroskopet (TEM) i 1931, forskere har hele tiden forfulgt bedre rumlig opløsning. Designet af magnetiske objektivlinser med mindre linse-aberrationskoefficienter har været nødvendigt, og aberrationskorrigerende linsesystemer til scanning af TEM (STEM) har opnået sub-Å rumlig opløsning.

En kritisk ulempe ved nuværende magnetiske kondensator-objektiv-linsesystemer til TEM'er/STEM'er med atomopløsning er, at prøverne skal indsættes i meget høje magnetiske felter på op til 2-3 T. Sådanne høje felter kan i alvorlig grad hæmme atomopløsningsbilleddannelse af mange vigtige bløde/hårde magnetiske materialer, såsom siliciumstål, fordi det stærke felt i høj grad kan ændre – eller endda ødelægge – materialets magnetiske og nogle gange fysiske struktur. For nylig, udviklingen af ​​nye magnetiske materialer er gået hurtigt frem. Da strukturel analyse på atomare skala er nøglen til den førnævnte teknologi, en løsning på dette problem har længe været påkrævet.

Det fælles team har udviklet et nyt magnetfelt-frit objektiv-linsesystem, indeholdende to runde linser placeret i en nøjagtig spejlsymmetrisk konfiguration i forhold til prøveplanet. Dette nye linsesystem giver ekstremt små resterende magnetiske felter ved prøvepositionen, mens de stærkt exciterede for-/bagerste objektivlinser placeres tæt nok på prøven til at opnå den korte fokuslængde, der er uundværlig for billeddannelse i atomopløsning. Følgelig, de resterende magnetiske felter genereret nær prøvecentret er meget <0,2 mT, hvilket er 10, 000 gange mindre end værdien i konventionelle magnetiske objektiver, der bruges til TEM/STEM-billeddannelse med atomopløsning.

Det fælles team har brugt dette nye system til at observere atomstrukturen af ​​en kornorienteret siliciumstålplade, som er et af de vigtigste bløde magnetiske ingeniørmaterialer. Dette ark bruges som et kernemateriale til elektriske transformere og motorer, og dets atomopløsningskarakterisering af individuelle defekter har længe været søgt. Ved at bruge det nyudviklede linsesystem, siliciumstålets opløste atomstruktur blev tydeligt observeret, og direkte, atomopløst billeddannelse i et magnetfeltfrit miljø blev realiseret til elektronmikroskopi, muliggør hidtil uset strukturel karakterisering af magnetiske materialer på atomniveau.

Det nyudviklede elektronmikroskop kan betjenes på samme måde som konventionelle TEM'er/STEM'er. Det forventes at fremme væsentlig yderligere forskning og udvikling inden for forskellige nanoteknologiske områder.