Fusionsforskere har udviklet en skulpturteknik i nanoskala

Et forskerhold af fusionsforskere har haft succes med at udvikle en "skulpturteknik i nanoskala" til at fremstille en ultratynd film ved at skærpe en wolframprøve med en fokuseret ionstråle. Dette muliggør observation i nanoskala af et tværsnit meget nær toppen af ​​wolframprøven ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop. Skulpturteknikken udviklet af denne forskning kan ikke kun anvendes på wolfram, men også på andre hårde materialer.

Hærdede materialer såsom metaller, kulstoffer og keramik bruges i biler, fly og bygninger. I et fusionsreaktorstudie, wolfram, som er et af de hårdeste metalmaterialer, er den mest sandsynlige kandidat til pansermaterialet på den enhed, der modtager plasmavarme/partikelbelastningen. Denne enhed kaldes en omleder. I alle hærdede materialer, Skader eller defekter i nanometerskala kan dannes meget tæt på materialernes øverste overflade. For at forudsige materialelevetid, det er nødvendigt at kende typerne af skader og deres dybdeprofiler i et materiale. At gøre dette, vi skal observere et tværsnit af området meget nær materialets øverste overflade på nanoskala niveau.

Til observation af den interne struktur af materialer på nanoskala-niveau, transmissionselektronmikroskop (TEM), hvor accelererede elektroner transmitteres gennem målmaterialerne, bruges almindeligvis som et stærkt værktøj. For at observere et tværsnit meget nær den øverste overflade af wolfram med TEM, vi udtrækker først et lille stykke af wolframprøven fra dens overflade og fremstiller derefter en ultratynd film ved at skære den ekstraherede prøve. Tykkelsen af ​​filmen skal være under ~100 nm for at opnå høj opløsning på grund af den høje transmission af elektronstrålen. Imidlertid, det har været ekstremt vanskeligt at fremstille sådan en ultratynd film til hårde materialer såsom wolfram. Derfor, det har været næsten umuligt at opnå ~100 nm tykkelsesniveau ved at bruge konventionelle tyndfilmsfremstillingsteknikker.

Forskerholdet af Dr. Masayuki Tokitani og Daisuke Nagata et al fra National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) har udviklet en overlegen nanoskala fremstillingsteknik til wolfram, ved at bruge en fokuseret ionstråle-elektronstråle (FIB-SEM) enhed. De kalder denne teknik for "nano-skala skulptur teknik." FIB-SEM-enheden gør os i stand til at skære materialer ved at bestråle dem med en fokuseret Ga-ionstråle på ~30 nm i diameter. Forskergruppen har tidligere forsøgt at fremstille en ultratynd film ved at slibe et lille stykke wolfram med FIB-SEM. Imidlertid, de havde det problem, at den øverste overflade desværre gik tabt, fordi stråleintensiteten skulle være relativt stærk for den hårde wolfram. For at løse dette problem, de har nu produceret en speciel Ga-stråleoperation for at bevare den øverste overflade ved at justere strålebestrålingspositionerne og -retningerne. De skærper også gradvist området nær overfladen, skabe en form, der bliver tyndere mod bunden. Følgelig, de opnår en ultratynd film med en tykkelse på ~100 nm eller mindre og med den øverste overflade forbliver intakt.

I billedet opnået ved TEM-observation af den fremstillede ultratynde film, vi kan tydeligt identificere den atomare niveauskade dannet nær den øverste overflade af wolframprøven. Dermed, "Nano-skala skulptur teknik" udviklet af dette forskerhold gør det muligt at observere et tværsnit nær den øverste overflade af wolfram prøve på en atomær skala. Denne skulpturteknik kan anvendes ikke kun på wolfram, men også på andre hårde materialer såsom hærdede legeringer og keramik. I øjeblikket, vi overvejer denne skulpturteknik til anvendelse i bilindustrien.