Microscopie electronică avansată pentru știința materialelor

Această lucrare prezintă tendințele actuale de cercetare întehnici avansate de microscopie electronicăpentru știința materialelor. Sondajul se bazează pe numărul special alTranzacții cu materialepublicat în octombrie 2019 (Vol. 60, Nr. 10). Microscopia electronică avansată a fost aplicată pe scară largă pentru a caracteriza diferite materiale. Dezvoltarea recentă și extinderea analizelor electriceficâmpurile și mișcările colective ale electronilor secundari prinin situholografia electronică sunt discutate în detaliu.[doi:10.2320/materntrans.MT-M2021086](Primit 14 mai 2021; Acceptat 12 iulie 2021; Publicat 3 septembrie 2021)

Cuvinte cheie:holografie electronică, difracție dinamică, experiment in situ, câmp electric, electron secundar

Serviciul de asistență al Wecistanche-Cel mai mare exportator de cistanche din China:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel:+86 15292862950

Cumpărați pentru mai multe detalii despre specificații:

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

CLICK AICI PENTRU A OBȚINE EXTRACT DE CISTANCHE ORGANIC NATURAL CU 25% ECHINACOSIDE ȘI 9% ACTEOSIDE PENTRU FUNCȚIA RENICALE

1. Introducere

Microscopia electronică cu transmisie(TEM) a fost folosit pentru a clarifica microstructurile diferitelormateriale functionale, șiRezoluție înaltăTEM15) a fost folosit pentru a observa direct aranjamentele atomice. Astfel de aranjamente atomice detaliate proiectate în jos de-a lungul fasciculului de electroni incidente pot fi observate cu o limită de rezoluție mai mică de 0.1 nm. Prin utilizarea microsondelor mai mici de 0.1 nm și sisteme de scanare cu fascicul, transmisie de scanaremicroscopia electronică(STEM) este folosit pentru obținerecartografierea elementară la nivel atomic.69) Pe lângă această îmbunătățire a rezoluției, cercetătorii au dezvoltat tehnici de analiză a distribuției câmpului electromagnetic în interiorul și exteriorul specimenelor, concentrându-se pe informațiile de fază alefascicul de electroni incident. O tehnică tipică este holografia electronică, care utilizează interferența undelor de electroni.1013)

Deși sunt disponibile numeroase lucrări de revizuire și prezentare generală, inclusiv cărți, care descriu aplicațiile TEM în știința materialelor4,14,15), un număr special a fost publicat în octombrie 2019 în Materials Transactions (Vol. 60, Nr. 10) sub titlul „Dezvoltarea și aplicarea tehnicilor avansate de microscopie electronică pentru știința materialelor”. Acest număr special conține un total de cinci articole care acoperă cercetări privind comportamentul undelor electronilor16,17) și analize ale materialelor și dispozitivelor care utilizează holografia electronică. Observațiile STEM în câmp întunecat cu unghi inelar (HAADF) au fost folosite pentrucaracterizează pereții domeniului încărcat(CDW) în materiale feroelectrice.20) În plus, au fost publicate recent analize extinse bazate pe TEM.2123)

Înainte de publicarea acestui număr special, la Institutul de Cercetare Multidisciplinară pentru Materiale Avansate, Universitatea Tohoku, a avut loc cea de-a 27-a întâlnire a Societății de Cercetare în Știința Materialelor și Inginerie, cu tema „Tendințe recente în proprietățile materialelor și tehnicile de microscopie”. Acest număr special a fost asamblat prin colectarea de lucrări de la unii dintre participanții la întâlnire. Despre holografia electronică sunt disponibile articole de recenzie.13,24) De asemenea, a fost publicat recent un număr special de Microscopy despre „Electron Interference Microscopy”.2535) În următoarele secțiuni, trecem în revistă numărul special al Materials Transactions (Vol. 60, Nr. 10), și să prezinte cele mai recente dezvoltări în cercetare ale grupului nostru de cercetare legate de problema specială.

2. Revizuirea numărului special

2.1 Generarea și controlul fasciculelor vortex de electroni

În ediția specială Tranzacții cu materiale despre „Dezvoltarea și aplicarea tehnicilor avansate de microscopie electronică pentru știința materialelor”, Harada și colab.16) au raportat generarea de fascicule vortex prin utilizarea rețelelor în formă de furcă fabricate cu instrumente cu fascicul ionic focalizat (FIB) pentru a clarifica performanța fasciculelor vortex. Ei au generat fascicule vortex folosind un sistem optic de difracție de electroni cu unghi mic36) și, de asemenea, au controlat cu succes fasciculele vortex prin schimbarea formelor și dimensiunilor deschiderilor. Fasciculele vortex de electroni pot transporta moment unghiular în timp ce se propagă 3740) și pot fi potențial utilizate pentru a detecta fluxul magnetic perpendicular pe planul specimenului datorită momentului său unghiular, în plus față de componentele în plan (perpendiculare pe fasciculul de electroni) ale flux magnetic datorită forței Lorenz.4143) În plus, fasciculele vortex de electroni pot fi potențial utilizate pentru microfabricare și controlul magnetizării. Aceste posibile aplicații indică faptul că fasciculele vortex de electroni și alte fascicule de electroni extinse, cum ar fi fasciculele Bessel, sunt potențiale tehnologii de generație următoare a fasciculului de electroni.4447)

2.2 Efectul difracției dinamice a electronilor asupra defazării electronilor

Numărul special de Tranzacții cu materiale menționate mai sus include Akase și colab.' 17) investigarea efectului difracției dinamice a electronilor asupra schimbării de fază4851) în holograme de electroni înregistrate dintr-un specimen în formă de pană de Si monocristal în jurul unei condiții de difracție Bragg. Rezultatele lor arată că potențialul interior efectiv depinde de direcția fasciculului de electroni incident, în special în apropierea condiției Bragg. Defazatul caracteristic a fost analizat folosind teoria dinamică a difracției electronilor.52)

Figura 1 prezintă imagini cu câmp luminos, imagini de fază reconstruite și profiluri de defazare fără (a) și cu (b) condiția 220 Bragg. Când specimenul nu satisface condiția Bragg, defazarea crește proporțional cu grosimea specimenului, așa cum se arată în Fig. 1(a). Cu toate acestea, atunci când specimenul satisface condiția 220 Bragg, așa cum se arată în Fig. 1(b), defazarea salturi ³ radiani în pozițiile în care apar franjuri de grosime întunecată în imaginea corespunzătoare cu câmp luminos. Aceste salturi de ³ radiani pot fi explicate prin teoria dinamică a difracției electronilor, așa cum se arată în Fig. 2. Fiecare coloană din Fig. 2 prezintă diferite condiții de difracție. Rândul superior prezintă grafice ale valorii complexe a ¼0 exp(¹2³i«t) pe planul complex cu grosimea t ca parametru, unde ¼0 este o funcție de undă a undei obiectului și » este vectorul numărului de undă pentru electronii incidenti în vid. Amplitudinea acestei valori complexe corespunde rădăcinii pătrate a intensității, iar unghiul valorii complexe corespunde defazajului. Grosimea variază de la 0 la 300 nm. Datele corespunzătoare la 2080 nm sunt reprezentate ca linii roșii îngroșate în Fig. 2. Rândurile din mijloc și de jos arată intensitatea și schimbarea de fază reprezentate ca funcții ale grosimii t, respectiv. În coloana centrală din Fig. 2, specimenul se află într-o condiție de difracție Bragg exactă de 220, unde traiectoria de ¼0 exp(¹2³i«t) intersectează originea planului complex. La grosimea intersecției, amplitudinea valorii complexe este zero; poziția corespunzătoare în imaginea cu câmp luminos apare așadar întunecată. În special, faza de ¼0 exp(¹2³i«t) a fost răsturnată de peste originea planului complex. Prin urmare, profilul de defazare arată salturi de ³ la marginile de grosime întunecată. Coloanele din stânga și din dreapta din Fig. 2 arată rezultatele când semnul erorii de excitație a reflexiei 220 este negativ și, respectiv, pozitiv. În aceste cazuri, în imaginea cu câmp luminos apare și o margine de grosime; cu toate acestea, intensitatea marginilor întunecate nu devine zero (vezi un rând din mijloc din Fig. 2) și nu se observă salturi în profilul de defazare (vezi un rând inferior din Fig. 2). În special, gradientul defazării la grosime, adică „potențialul interior efectiv”, depinde de semnul erorii de excitație a celor 220 de reflexii (vezi un rând inferior al Fig. 2). Această tendință a fost confirmată de o serie de imagini de fază reconstruite experimental cu direcții diferite ale fasciculului incident.

2.3 Analiza câmpului electric al precipitatelor în condensatorul ceramic multistrat

Kawamoto et al. au demonstrat o metodă unică de caracterizare bazată pe holografia electronică pentru determinarea proprietăților electrice ale precipitatelor submicrometrice produse în condensatoare ceramice multistrat (MLCC).18) Ei au arătat că liniile de contur echipotențiale prezintă informații esențiale despre conductivitatea electrică a precipitatelor la scară intermicrometrică formate în MLCC comerciale BaTiO3. Cercetătorii au raportat că adăugarea de Mg și elemente de pământ rare joacă un rol important în controlul dependenței de temperatură a constantei dielectrice.53) Cu toate acestea, adăugarea unor astfel de elemente induce precipitații complexe în substanța dielectrică (de exemplu, o fază bogată în Cr, 54) Faza bogată în Si,55) și altele). Deoarece aceste precipitate au constante dielectrice care diferă substanțial de cea a matricei BaTiO3, este posibil să degradeze performanța condensatorului. Astfel, studierea proprietăților electrice locale în vecinătatea precipitatelor la scară submicrometrică este importantă.

În studiul lor, Kawamoto et al. a folosit holografia electronică cu microsonde de manipulare în TEM5658) pentru a caracteriza precipitatele la scară submicrometrică formate în MLCC59) și pentru a identifica obiectele care provoacă defecțiuni electrice dăunătoare. Figura 3(a) prezintă o schemă a unui specimen cu folie subțire (20 µm © 6 µm © 100 nm) cu o configurație stivuită care cuprinde un catod Ni, o substanță dielectrică (BaTiO3) și un anod Ni. Rețineți că catodul și anodul sunt conectate fizic la pincele Pt, care sunt contactate de sonde metalice PtIr atunci când o tensiune electrică este aplicată probei. Figura 3(b) prezintă o imagine ADF-STEM a specimenului. Un precipitat care apare cu contrast întunecat este indicat de o săgeată verde. Analiza prin spectroscopie cu raze X cu dispersie energetică (EDS) arată că acest precipitat este bogat în Cr și sărac în Si. Figura 3(c) este o imagine de fază reconstruită sub o tensiune aplicată efectivă de 7 V; astfel, autorii au scăzut informația de defazare dobândită la o tensiune aplicată de 3 V din cea dobândită sub 10 V pentru a suprima informațiile de fază nedorite, cum ar fi modificări substanțiale ale potențialului interior mediu la pozițiile precipitatelor, variațiile de grosime ale probei. , și câmpul magnetic de la electrozii Ni. În special, a avut loc o schimbare atât a distanței cât și a direcțiilor liniilor de contur în zona locală a precipitatului, care a fost atribuită diferenței de conductivitate electrică dintre precipitat și matricea BaTiO3. Figura 3(d) prezintă o hartă bidimensională a câmpului electric simulat bazată pe modelarea metodei elementelor finite (FEM). În acest model, conductivitatea electrică a precipitatului ·B este substanțial mai mică decât conductivitatea matricei ·M. Rezultatele din Fig. 3(d) explică câteva caracteristici ale observațiilor (Fig. 3(c)), cum ar fi distanțarea redusă a liniilor de contur în precipitat și schimbarea treptată a distanței în zona matricei. Conductivitatea fazei bogate în Cr ar trebui să fie mai mică decât cea a matricei cu două sau trei ordine de mărime. Această metodă poate duce la o înțelegere mai profundă a relației dintre microstructura complexă și funcționalitățile materialelor din condensatoarele utilizate pe scară largă în industrie.

2.4 Caracterizarea pereților din domeniul încărcat din material feroelectric

Nakajima și colab.20) au examinat structurile CDW60) în Ca3¹xSrxTi2O7 (CSTO) folosind TEM. Feroelectricitatea în CSTO a fost observată atât prin măsurători convenționale de polarizare electrică, cât și prin microscopie cu forță piezorăspuns. pereți de conductivitate „coadă la coadă”. CDW-urile sunt promițătoare pentru aplicațiile dispozitivelor, deoarece morfologia și conductivitatea lor pot fi controlate de câmpuri electrice și alte fenomene fizice. caracteristicile CSTO. Observațiile HAADF-STEM au demonstrat neregularitatea stivuirii în blocurile structurate cu perovskit. În plus, holografia electronică a evidențiat regiuni de stivuire neregulată care produc modificări ale potențialului interior mediu din cauza conținutului de Sr. Aceste studii de microscopie îmbunătățesc înțelegerea noastră a mecanismelor prin care domeniile feroelectrice se dezvoltă în CSTO.

2.5 Analiza electronilor secundari în jurul unui film epoxidic încărcat

Am descris până acum diverseTehnici TEMpentru știința materialelor, inclusiv metode de observare a câmpurilor electrice prin holografie electronică. Ca o extensie a acestor studii, unul dintre cele mai interesante subiecte este vizualizarea mișcării electronilor, deoarece câmpurile electromagnetice provin din aceste mișcări. Cele mai vechi dintre aceste studii s-au concentrat pe efectul de încărcare asupra specimenelor biologice.68,69) Acumularea și distribuția electronilor au fost observate ulterior pentru diferite materiale izolatoare, cu cea mai mare atenție acordată suprafețelor acestora.

Sato et al.19) au studiat distribuția electronilor secundari în jurul unui film epoxidic încărcat preparat prin ultra microtomie. Figura 4(a) prezintă o imagine de fază reconstruită a unui film subțire de rășină epoxidice (regiune maro-închis). Potențialul electric al suprafeței specimenului a fost estimat la 1,2 V prin comparație cu o imagine reconstruită simulată. Deși nu au fost prezente elemente metalice pe suprafața specimenului, efectul de încărcare a fost considerat a fi suprimat prin iradierea de către electronii secundari de pe placa de susținere a specimenului din apropierea zonei observate. Imaginea de amplitudine reconstruită din Fig. 4(b) arată regiuni roșii din jurul suprafeței rășinii epoxidice, care se consideră a corespunde unei densități mari de electroni secundari care interacționează puternic cu suprafața specimenului încărcat pozitiv. în particular, în regiunea concavă indicată de săgeata din Fig. 4(b), este evidentă o regiune roşu strălucitor; această regiune corespunde unei fluctuații mari a câmpului electric datorită interacțiunii electronilor secundari acumulați cu suprafața. După ce a fost observată o hologramă a rășinii epoxidice, ambele părți ale specimenului subțire au fost iradiate cu un sistem FIB folosind un fascicul slab de ioni Ga+-. Intensitatea fasciculului a fost de 0,85 © 1{03 mC·m¹2, care este de 200 de ori mai mică decât cea utilizată în mod obișnuit pentru lustruirea specimenelor. Imaginea de fază reconstruită din Fig. 4(c) arată că potențialul electric al specimenului devine 1,0 V conform rezultatelor simulării. Potențialul electric al specimenului înainte și după iradiere nu a diferit substanțial deoarece a fost utilizat un fascicul slab de ioni Ga+-. În imaginea de amplitudine reconstruită din Fig. 4(d), regiunile colorate observate în Fig. 4(b) nu mai sunt vizibile. Astfel, distribuția electronilor secundari care interacționează puternic cu suprafața rășinii epoxidice încărcate pozitiv este sensibilă la prezența elementelor metalice pe suprafață.

Fig. 4 (a) Imagine de fază reconstruită a rășinii epoxidice ultramicrotom. (b) Imaginea de amplitudine reconstruită a rășinii. (c) Imagine de fază reconstruită a rășinii procesate FIB. (d) Imagine de amplitudine reconstruită a rășinii procesate FIB.19)