Täiustatud elektronmikroskoopia materjaliteaduse jaoks

See artikkel tutvustab praeguseid uurimissuunditäiustatud elektronmikroskoopia tehnikadmaterjaliteaduse jaoks. Küsitlus põhineb aasta erinumbrilMaterjalide tehingudavaldatud oktoobris 2019 (60. kd, nr 10). Täiustatud elektronmikroskoopiat on laialdaselt kasutatud erinevate materjalide iseloomustamiseks. Elektrianalüüside hiljutine areng ja laiendamineÜhendusväljad ja sekundaarsete elektronide kollektiivsed liikumised pooltkohapealelektronholograafiat käsitletakse üksikasjalikult.[doi:10.2320/matertrans.MT-M2021086](Saadud 14. mail 2021; vastu võetud 12. juulil 2021; avaldatud 3. septembril 2021)

Märksõnad:elektronholograafia, dünaamiline difraktsioon, in situ eksperiment, elektriväli, sekundaarne elektron

Wecistanche'i tugiteenus - Hiina suurim tsistanšeksportija:

E-post:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tel:+86 15292862950

Lisateabe saamiseks ostke:

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

25% EHHINAKOSIIDI JA 9% AKTEOSIIDI NEERUTUNGIMISEKS LOODUSLIKU ORGAANILISE TASTANHEKSTRAKTI SAAMISEKS KLIKI SIIA

1. Sissejuhatus

Transmissioonelektronmikroskoopia(TEM) on kasutatud erinevate mikrostruktuuride selgitamiseksfunktsionaalsed materjalidjakõrgresolutsioonigaTEM15) on kasutatud aatomite paigutuse otseseks jälgimiseks. Selliseid üksikasjalikke aatomite paigutusi, mis on projitseeritud piki langevat elektronkiirt, saab jälgida eraldusvõime piiriga, mis on väiksem kui 0,1 nm. Kasutades mikrosonde, mis on väiksemad kui 0,1 nm ja kiirskaneerimise süsteeme, skaneerimise edastamistelektronmikroskoopiasaamiseks kasutatakse (STEM).aatomitaseme elementide kaardistamine.69) Lisaks sellele eraldusvõime paranemisele on teadlased välja töötanud meetodid elektromagnetvälja jaotuse analüüsimiseks proovides sees ja väljaspool, keskendudes faasiteabele.langev elektronkiir. Tüüpiline tehnika on elektronholograafia, mis kasutab elektronlainete interferentsi.1013)

Kuigi saadaval on arvukalt ülevaate- ja ülevaateartikleid, sealhulgas raamatuid, mis kirjeldavad TEM-i rakendusi materjaliteaduses,4,14,15) ilmus 2019. aasta oktoobris ajakirjas Materials Transactions erinumber (60. kd, nr 10) pealkirja all. "Materiaaliteaduse jaoks täiustatud elektronmikroskoopia tehnikate arendamine ja rakendamine". See erinumber sisaldab kokku viit artiklit, mis käsitlevad elektronide lainelise käitumise uurimist16,17) ning materjalide ja seadmete analüüse, kasutades elektronholograafiat.18,19) Lisaks elektronholograafiale kasutatakse erinevaid tehnikaid, nagu tumevälja pildistamine ja kõrgtehnoloogia. -angle annular dark-field (HAADF) STEM vaatlusi on kasutatudiseloomustavad laetud domeeni seinu(CDW) ferroelektrilistes materjalides.20) Lisaks on hiljuti avaldatud ulatuslikud TEM-põhised analüüsid.2123)

Enne selle erinumbri ilmumist toimus Tohoku ülikooli kõrgtehnoloogiliste materjalide multidistsiplinaarse uurimistöö instituudis 27. Materjaliteaduse ja Tehnikauuringute Seltsi koosolek, mille teemaks oli "Materjalide omaduste ja mikroskoopiatehnikate hiljutised suundumused". See erinumber koostati mõne koosolekul osaleja paberite kogumise teel. Elektronholograafia kohta on ülevaateartikleid.13,24) Samuti on hiljuti ilmunud mikroskoopia erinumber teemal "Elektroninterferentsmikroskoopia".2535) Järgmistes osades käsitleme materjalitehingute erinumbrit (60. köide, nr 10) ning tutvustada meie uurimisrühma viimaseid erinumbriga seotud teadusarendusi.

2. Eriväljaande ülevaade

2.1 Elektronpööriste kiirte tekitamine ja juhtimine

Materjalide tehingute eriväljaandes teemal "Materiaaliteaduse täiustatud elektronmikroskoopia tehnikate väljatöötamine ja rakendamine" kirjeldasid Harada jt 16 keeriskiirte tekitamist, kasutades selgitamiseks fokuseeritud ioonkiirega (FIB) valmistatud kahvlikujulisi võreid. keeriskiirte jõudlus. Nad genereerisid keeriskiiri kasutades väikese nurga elektronide difraktsioonilist optilist süsteemi36) ja juhtisid edukalt ka keeriskiiri, muutes avade kuju ja suurust. Elektronpöörised võivad levides kanda nurkmomenti ing3740) ja neid saab potentsiaalselt kasutada magnetvoo tuvastamiseks, mis on risti proovi tasapinnaga selle nurkimpulsi tõttu, lisaks tasapinnalistele komponentidele (risti elektronkiirega). Lorenzi jõust tingitud magnetvoogu.4143) Lisaks saab elektronkeeriskiirte potentsiaalselt kasutada mikrotootmiseks ja magnetiseerimise juhtimiseks. Need võimalikud rakendused näitavad, et elektronpööriskiired ja muud laiendatud elektronkiired, nagu Besseli kiired, on potentsiaalsed järgmise põlvkonna elektronkiiretehnoloogiad.4447)

2.2 Dünaamilise elektronide difraktsiooni mõju elektronide faasinihkele

Eelnimetatud Materials Transactions eriväljaanne sisaldab Akase et al.' 17) dünaamilise elektronide difraktsiooni mõju uurimine faasinihkele4851) elektronhologrammidel, mis on salvestatud ühekristallilise Si kiilukujulisest proovist Braggi difraktsioonitingimuste ümber. Nende tulemused näitavad, et efektiivne sisepotentsiaal sõltub langeva elektronkiire suunast, eriti Braggi seisundi lähedal. Iseloomulikku faasinihet on analüüsitud elektronide difraktsiooni dünaamilise teooria abil.52)

Joonisel 1 on kujutatud ereda väljaga kujutisi, rekonstrueeritud faasikujutisi ja faasinihkeprofiile ilma (a) ja (b) 220 Braggi tingimuseta. Kui proov ei vasta Braggi tingimusele, suureneb faasinihe proportsionaalselt proovi paksusega, nagu on näidatud joonisel 1(a). Kui aga proov vastab 220 Braggi tingimusele, nagu on näidatud joonisel 1(b), hüppab faasinihe ³ radiaani kohtades, kus vastaval ereda väljaga kujutisel ilmuvad tumedad paksused narmad. Neid ³ radiaani hüppeid saab seletada elektronide difraktsiooni dünaamilise teooriaga, nagu on näidatud joonisel 2. Iga veerg joonisel fig. 2 näitab erinevaid difraktsioonitingimusi. Ülemine rida näitab graafikuid kompleksväärtusest ¼0 exp(¹2³i«t) komplekstasandil paksusega t parameetrina, kus ¼0 on objekti laine lainefunktsioon ja » on vaakumis langevate elektronide lainearvu vektor. Selle kompleksväärtuse amplituud vastab intensiivsuse ruutjuurele ja kompleksväärtuse nurk vastab faasinihkele. Paksus on vahemikus 0 kuni 300 nm. 2080 nm vastavad andmed on joonisel fig 2 kujutatud punaste paksude joontena. Keskmine ja alumine rida näitavad vastavalt paksuse t funktsioonidena intensiivsust ja faasinihet. Joonise 2 keskmises veerus on proov täpselt 220 Braggi difraktsioonitingimustes, kus trajektoor ¼0 exp(¹2³i«t) lõikub komplekstasandi alguspunktiga. Ristmiku paksusel on kompleksväärtuse amplituud null; vastav asukoht ereda väljaga pildil näib seetõttu tume. Märkimisväärne on see, et faas ¼0 exp (¹2³i«t) pöörati ümber komplekstasandi alguspunkti. Seetõttu näitab faasinihke profiil tumedate paksuse äärealadel hüppeid ³. Joonise 2 vasak ja parem veerg näitavad tulemusi, kui 220 peegelduse ergastusvea märk on vastavalt negatiivne ja positiivne. Nendel juhtudel ilmub ereda väljaga pildile ka paksusriba; aga tumeda serva intensiivsus ei muutu nulliks (vt joonisel 2 keskmist rida) ja faasinihke profiilis hüppeid ei täheldata (vt joonis 2 alumist rida). Eelkõige sõltub faasinihke paksuse gradient ehk "efektiivne sisepotentsiaal" 220 peegelduse ergastusvea märgist (vt joonise 2 alumist rida). Seda tendentsi kinnitasid mitmed eksperimentaalselt rekonstrueeritud faasikujutised erinevate langevate kiirte suundadega.

2.3 Sademete elektrivälja analüüs mitmekihilises keraamilises kondensaatoris

Kawamoto et al. on demonstreerinud unikaalset elektronholograafial põhinevat iseloomustusmeetodit mitmekihilistes keraamilistes kondensaatorites (MLCC) toodetud submikromeetriliste sademete elektriliste omaduste määramiseks.18) Nad näitasid, et potentsiaaliekvivalentsusjooned annavad olulist teavet aastal moodustunud submikroniliste sisestusskaala sademete elektrijuhtivuse kohta. kaubanduslikud BaTiO3 MLCC-d. Teadlased on teatanud, et lisatud Mg ja haruldaste muldmetallide elemendid mängivad olulist rolli dielektrilise konstandi temperatuurisõltuvuse kontrollimisel.53) Selliste elementide lisamine kutsub aga esile keerulise sadestumise dielektrilises aines (nt Cr-rikas faas, 54) Si-rikas faas,55) ja teised). Kuna nendel sademetel on dielektrilised konstandid, mis erinevad oluliselt BaTiO3 maatriksi omast, halvendavad need tõenäoliselt kondensaatori jõudlust. Seega on oluline kohalike elektriliste omaduste uurimine submikromeetrilise skaala sademete läheduses.

Kawamoto et al. kasutas elektronholograafiat koos mikrosondidega TEM5658-s), et iseloomustada MLCC-des moodustunud submikromeetri skaala sademeid59) ja tuvastada objekte, mis põhjustavad kahjulikke elektrilisi rikkeid. Joonisel fig 3(a) on kujutatud skemaatilist õhukese fooliumproovi (20 µm × 6 µm × 100 nm), mille virnastatud konfiguratsioon sisaldab Ni-katoodi, dielektrilist ainet (BaTiO3) ja Ni-anoodi. Pange tähele, et katood ja anood on füüsiliselt ühendatud Pt-harudega, mis puutuvad kokku metalliliste PtIr-sondidega, kui proovile rakendatakse elektrilist pinget. Joonisel 3(b) on näidatud proovi ADF-STEM kujutis. Tumeda kontrastiga sade on tähistatud rohelise noolega. Energia-dispersiivse röntgenspektroskoopia (EDS) analüüs näitab, et see sade on rikas Cr ja vaene Si poolest. joonis fig 3(c) on rekonstrueeritud faasikujutis efektiivse rakendatud pinge 7 V juures; seega lahutasid autorid faasinihketeabe, mis saadi 3 V rakendatud pinge all, faasinihketeabe, mis saadi alla 10 V pinge all, et summutada soovimatut faasiteavet, nagu olulised muutused keskmises sisemises potentsiaalis sademete asukohtades, proovi paksuse kõikumised. ja Ni-elektroodide magnetväli. Eelkõige toimus muutus nii sademe kohaliku piirkonna kontuurjoonte vahekauguses kui ka suundades, mis oli tingitud sademe ja BaTiO3 maatriksi vahelise elektrijuhtivuse erinevusest. Joonisel 3(d) on näidatud kahemõõtmeline simuleeritud elektrivälja kaart, mis põhineb lõplike elementide meetodi (FEM) modelleerimisel. Selles mudelis on sademe ·B elektrijuhtivus oluliselt väiksem kui maatriksi ·M juhtivus. Tulemused joonisel 3(d) selgitavad mitmeid vaatluste tunnuseid (joonis 3(c)), nagu kontuurjoonte vahekaugus sademe sees ja vahekauguse järkjärguline muutumine maatriksipiirkonnas. Cr-rikka faasi juhtivus peaks olema maatriksi omast kahe või kolme suurusjärgu võrra väiksem. See meetod võib viia sügavamale arusaamisele keeruka mikrostruktuuri ja tööstuses laialdaselt kasutatavate kondensaatorite materjalide funktsioonide vahel.

2.4 Ferroelektrilise materjali laetud domeeniseinte iseloomustus

Nakajima et al.20) uurisid CDW struktuure60) Ca3¹xSrxTi2O7-s (CSTO), kasutades TEM-i. Ferroelektrilisust CSTO-s on vaadeldud nii tavapäraste elektriliste polarisatsioonimõõtmiste kui ka piesoreaktsioonijõu mikroskoopia abil.61) Viimane paljastas CSTO-s polaarsuse ja juhtivuse poolest kahte tüüpi CDW-sid: kõrge juhtivusega "pea-pea" seinad ja madal- juhtivus "sabast sabani" seinad. CDW-d on seadmete rakenduste jaoks paljulubavad, kuna nende morfoloogiat ja juhtivust saab kontrollida elektriväljade ja muude füüsikaliste nähtustega.6267) Nakajima et al.20) kasutasid mikrostruktuuride määramiseks tumevälja kujutist, mis põhineb Friedeli seaduse lagunemisel. CSTO omadused. HAADF-STEM vaatlused on näidanud perovskiitstruktuuriga plokkide virnastamise ebakorrapärasust. Lisaks on elektronholograafia avastanud ebakorrapärase virnastamise piirkonnad, mis põhjustavad Sr sisalduse tõttu muutusi keskmises sisemises potentsiaalis. Need mikroskoopiauuringud parandavad meie arusaamist mehhanismidest, mille abil CSTO-s ferroelektrilised domeenid arenevad.

2.5 Sekundaarsete elektronide analüüs laetud epoksükile ümber

Oleme siiani kirjeldanud erinevaidTEM tehnikadmaterjaliteaduse jaoks, sealhulgas meetodid elektriväljade vaatlemiseks elektronholograafia abil. Nende uuringute laiendusena on üks huvitavamaid teemasid elektronide liikumise visualiseerimine, sest nendest liikumistest tekivad elektromagnetväljad. Varaseim neist uuringutest keskendus bioloogiliste proovide laadimisefektile.68,69) Seejärel täheldati elektronide akumuleerumist ja jaotumist erinevate isoleermaterjalide puhul, pöörates erilist tähelepanu nende pindadele.

Sato et al.19) uurisid sekundaarsete elektronide jaotumist ultramikrotoomiaga valmistatud laetud epoksükile ümber. Joonisel fig 4(a) on kujutatud epoksüvaigu õhukese kile rekonstrueeritud faasikujutis (tumepruun piirkond). Proovi pinna elektripotentsiaaliks hinnati 1,2 V, võrreldes simuleeritud rekonstrueeritud kujutisega. Kuigi proovi pinnal metallilisi elemente ei esinenud, arvati, et vaadeldava ala lähedal proovi tugiplaadilt sekundaarsete elektronide kiiritamine pärsib laadimisefekti. Rekonstrueeritud amplituudikujutis joonisel 4(b) näitab punaseid piirkondi ümber epoksüvaigu pinna, mida peetakse vastavaks sekundaarsete elektronide suurele tihedusele, mis interakteeruvad tugevalt positiivselt laetud proovikeha pinnaga. Eelkõige on joonisel fig 4(b) noolega näidatud nõgusas piirkonnas ilmne helepunane piirkond; see piirkond vastab suurele elektrivälja fluktuatsioonile, mis on tingitud akumuleerunud sekundaarsete elektronide interaktsioonist pinnaga. Pärast epoksüvaigu hologrammi vaatlemist kiiritati õhukese proovi mõlemat külge FIB-süsteemiga, kasutades nõrka Ga{7}}ioonkiirt. Kiire intensiivsus oli 0,85 © 103 mC·m¹2, mis on 200 korda väiksem kui tavaliselt proovide poleerimiseks kasutatav. Rekonstrueeritud faasipilt joonisel 4(c) näitab, et katsekeha elektripotentsiaal muutub vastavalt simulatsiooni tulemustele 1,0 V. Proovi elektripotentsiaal enne ja pärast kiiritamist ei erinenud oluliselt, kuna kasutati nõrka Ga+- ioonikiirt. Rekonstrueeritud amplituudikujutises joonisel 4(d) ei ole joonisel 4(b) vaadeldud värvilised piirkonnad enam nähtavad. Seega on positiivselt laetud epoksüvaigu pinnaga tugevalt interakteeruvate sekundaarsete elektronide jaotus tundlik metalliliste elementide olemasolu suhtes pinnal.

Joonis 4 (a) Ultramikrotoomse epoksüvaigu rekonstrueeritud faasikujutis. (b) Vaigu rekonstrueeritud amplituudikujutis. ( c ) FIB-töödeldud vaigu rekonstrueeritud faasipilt. (d) FIB-töödeldud vaigu rekonstrueeritud amplituudikujutis.19)