Закрыть кнопку

Выберите свой региональный сайт

Закрыть

Электронные микроскопы сверхвысокого разрешения стимулируют прогресс в материаловедении

Электронные микроскопы сверхвысокого разрешения стимулируют прогресс в материаловедении

ИНТЕРВЬЮ 01

Профессор Юичи Икухара
Институт инженерных инноваций, Инженерная школа, Токийский университет

Переход от производства, основанного на опыте и интуиции, к рациональному производству, основанному на теории и доказательствах.
Электронные микроскопы сверхвысокого разрешения JEOL обеспечивают большие успехи в материаловедении.

Изучение границ зерен

Промышленные материалы, такие как металлы и керамика, имеют поликристаллическую структуру, состоящую из множества крошечных зерен кристаллитов. Граница между кристаллитами называется границей зерна. Границы зерен играют роль в определении свойств материала и в последние годы вызывают большой интерес.
«Непериодические структуры, такие как поверхность кристалла, границы раздела, дислокации и атомные вакансии, имеют свою специфическую электронную структуру. Это источники функций, которых нет в идеальных кристаллах. Если мы сможем уточнить атомную и электронную структуру границ зерен, а также механизмы функций, это окажет значительное влияние на промышленность, способствуя разработке материалов с новыми функциями».
Так считает профессор Юичи Икухара из Института инженерных инноваций Школы инженерии Токийского университета. Он работал над границами зерен на атомном уровне, когда был аспирантом, и продолжает свои исследования, уделяя особое внимание наблюдениям и измерениям с использованием электронных микроскопов.

Смена парадигмы в материаловедении

Появление коррекции сферической аберрации для сканирующих просвечивающих электронных микроскопов (STEM) стало крупным прорывом в этой области исследований. Из-за природы круглой электронной линзы неизбежно возникает размытие (сферическая аберрация) от электронной линзы. Однако, используя неаксиально-симметричные магнитные поля, генерируемые многополюсной линзой, можно в значительной степени устранить это размытие, обеспечивая прямое наблюдение объектов со сверхвысоким разрешением на уровне ангстрем. Теория, лежащая в основе этого метода, известна уже давно, но практическая реализация была затруднена. С конца 90-х годов были реализованы технологии для достижения этой цели, которые были с восторгом встречены исследовательским сообществом.
Профессор Икухара был одним из таких исследователей.
«Выяснение того, почему материал имеет определенную функциональность, теперь можно объяснить на атомарном уровне. Вероятно, это один из самых значительных сдвигов парадигмы в истории материаловедения».
Например, было известно, что добавление небольшого количества редкоземельного элемента иттрия к оксиду алюминия (оксиду алюминия) значительно увеличивает прочность, но так и не было полностью объяснено, почему это происходит. Профессор Икухара представил одну из первых коммерческих STEM-систем японского производства, включающую коррекцию сферической аберрации. Используя этот прибор, он наблюдал и сравнивал границы раздела оксида алюминия до и после добавления иттрия. Таким образом, он подтвердил, что атомы иттрия периодически располагаются в определенных местах границ зерен оксида алюминия, и что ионные связи оксида алюминия изменились на ковалентные связи. Это открытие было опубликовано в журнале Science в 2006 году. С тех пор возможности коррекции сферической аберрации использовались для целого ряда наблюдений в виде непрерывной последовательности открытий.
Профессор Икухара продолжал сообщать о важных результатах своего анализа границ зерен на атомном уровне, главным образом посредством публикаций в таких журналах, как Nature и Science. В 2010 г. его достижения были отмечены премией Humboldt Research Award (Германия); в 2013 году он был награжден Благодарностью за науку и технологии от министра образования, культуры, спорта, науки и технологий.
В последние годы развиваются исследования дефектных структур и дислокаций, образующих границы раздела керамических кристаллов. Суперкомпьютеры используются для проведения теоретических расчетов по проектированию керамики с дефектной структурой, которой нет в существующих материалах. Наблюдая за этими структурами дефектов с помощью STEM с коррекцией сферической аберрации, можно подтвердить, соответствуют ли структуры теоретическим предсказаниям.
Глаза профессора Икухары сверкают, когда он замечает: «Это прямо противоположно традиционному подходу к разработке материалов, основанному на интуиции, пробах и ошибках. Рациональные методы с помощью расчетов и наблюдений для искусственного управления структурой дефектов решетки, безусловно, ускорят будущие достижения в области материаловедения».

Наблюдение за атомами водорода со сверхвысоким разрешением

В лаборатории профессора Икухары установлен первый в мире электронный микроскоп сверхвысокого разрешения GRAND ARM производства JEOL. Оснащенный автоэмиссионной электронной пушкой с холодным катодом в стандартной конфигурации, с максимальным ускоряющим напряжением 300 кВ и последней версией собственных корректоров сферической аберрации JEOL, GRAND ARM способен обеспечить разрешение STEM 45 пм..
Профессор Икухара выражает свое одобрение.
«Даже легкие элементы, такие как водород и литий, можно наблюдать в деталях, даже когда они находятся в непосредственной близости. Можно, пожалуй, даже сказать, что разрешения теперь достаточно».

Изображение HAADF-STEM (слева) и изображение ABF-STEM (справа) кристалла оксида титана с ориентацией [110] (получено с помощью GRAND ARM).

Изображение HAADF-STEM (слева) и изображение ABF-STEM (справа) кристалла оксида титана с ориентацией [110] (получено с помощью GRAND ARM).
На изображении ABF-STEM можно отдельно наблюдать соседние столбцы атомов кислорода.

Атомная структура кремния

Атомная структура кремния

Он также высоко оценивает удобство пользовательского интерфейса и большой угол наклона образца. «В группе электронных микроскопов в JEOL есть несколько инженеров, которые изучали материаловедение. Разработка инструментов с точки зрения пользователя — вот что обеспечивает превосходное удобство использования».

  • Гарантированное значение JEOL: 63:XNUMX

Инновации благодаря сотрудничеству промышленности и научных кругов

За этим достижением стоит более эффективная система исследований и разработок, достигнутая благодаря сотрудничеству между промышленностью и академическими кругами.
С 2005 года Токийский университет и JEOL создали Офис сотрудничества бизнеса и академических кругов. На объектах Токийского университета установлено более десяти электронных микроскопов JEOL, в том числе GRAND ARM, которые поддерживают исследования Института инженерных инноваций, Инженерной школы Токийского университета. Отзывы материаловедов, которые используют эти инструменты, быстро включаются в дизайн продукта, способствуя быстрой эволюции за последние несколько лет.
«Много посетителей из-за рубежа приезжают, чтобы посмотреть на Офис сотрудничества бизнеса и академии GRAND ARM, уделяя большое внимание его влиянию. Распространение методов наблюдения и полученных результатов по всему миру может даже привести к кардинальным изменениям во всех сферах производства».
В развитии STEM впереди еще много достижений.

Юичи Икухара

Юичи Икухара

Профессор Института инженерных инноваций Школы инженерии Токийского университета
Директор Научно-исследовательского центра нанотехнологий

Выпускник Университета Кюсю. После работы в Японском центре изящной керамики и Университете Кейс Вестерн Резерв (США) в 1996 году поступил в Токийский университет в качестве доцента. Занял нынешнюю должность в 2003 году. В 2010 году получил исследовательскую премию Гумбольдта (Германия) за работу над физические свойства и сверхтонкие структуры границ раздела материалов. Одновременно является профессором Института перспективных исследований материалов Университета Тохоку и главным научным сотрудником Лаборатории исследования наноструктур Японского центра тонкой керамики. Член Американского керамического общества и член Всемирной академии керамики.

Время публикации: октябрь 2014 г.

Контакты

JEOL предлагает широкий ряд услуг по техническому обслуживанию и ремонту, чтобы наши клиенты могли спокойно и осознанно работать с оборудованием.
Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам!