磁性材料的直接原子分辨成像 世界簡訊

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在傳統(tǒng)的電子顯微鏡中，對磁性材料進(jìn)行原子分辨率觀察特別困難，因為磁場物體內(nèi)的樣品不可避免地會產(chǎn)生高磁場。新開發(fā)的磁物鏡系統(tǒng)在樣品位置提供無磁場環(huán)境。這使得能夠?qū)χT如硅鋼的磁性材料進(jìn)行直接的原子分辨成像。該新型電子顯微鏡有望廣泛用于先進(jìn)磁性材料的研究和開發(fā)。

根據(jù)JST-SENTAN計劃(日本科學(xué)技術(shù)廳高級測量與分析系統(tǒng)與技術(shù)開發(fā))，東京大學(xué)和日本電子株式會社的Naoya Shibata教授的聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了革命性的電子顯微鏡它采用了新設(shè)計的磁性物鏡，并實(shí)現(xiàn)了具有亞空間分辨率的材料的直接原子分辨成像，樣品位置的殘余磁場小于0.2 mT。據(jù)我們所知，這是第一次實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

自1931年透射電子顯微鏡(TEM)的開創(chuàng)性發(fā)明以來的88年中，研究人員不斷尋求更好的空間分辨率。具有較小透鏡像差系數(shù)的磁性物鏡的設(shè)計是必要的，并且用于掃描TEM(STEM)的像差校正透鏡系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了亞空間分辨率。

當(dāng)前用于原子分辨率TEM / STEM的磁聚光器 - 物鏡系統(tǒng)的一個關(guān)鍵缺點(diǎn)是樣品必須插入高達(dá)2-3T的非常高的磁場中。這樣的高磁場會嚴(yán)重妨礙原子分辨率成像。許多重要的軟/硬磁材料，如硅鋼，因為強(qiáng)磁場可以極大地改變 - 甚至破壞 - 材料的磁性和有時物理結(jié)構(gòu)。最近，新型磁性材料的發(fā)展迅速發(fā)展。由于原子級結(jié)構(gòu)分析是上述技術(shù)的關(guān)鍵，因此長期以來一直需要解決該問題。

該聯(lián)合團(tuán)隊開發(fā)了一種新的無磁場物鏡系統(tǒng)，包含兩個圓形鏡頭，相對于樣品平面以精確的鏡像對稱配置定位。這種新的透鏡系統(tǒng)在樣品位置提供極小的殘余磁場，同時將強(qiáng)烈激發(fā)的前/后物鏡放置得足夠靠近樣品，以獲得原子分辨率成像必不可少的短焦距條件。因此，在樣品中心附近產(chǎn)生的殘留磁場遠(yuǎn)小于0.2mT，這比用于原子分辨率TEM / STEM成像的常規(guī)磁性物鏡透鏡的值小10,000倍。

聯(lián)合小組利用這一新系統(tǒng)觀察了晶粒取向硅鋼片的原子結(jié)構(gòu)，這是最重要的軟磁工程材料之一。該片材用作電力變壓器和電動機(jī)的核心材料，并且長期以來一直在尋求其對各個缺陷的原子分辨率表征。使用新開發(fā)的透鏡系統(tǒng)，清晰地觀察到硅鋼的分辨原子結(jié)構(gòu)，并且在無磁場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了直接的原子分辨成像，用于電子顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了磁性材料的前所未有的原子級結(jié)構(gòu)表征。

新開發(fā)的電子顯微鏡可以以與傳統(tǒng)TEM / STEM相同的方式操作。預(yù)計將促進(jìn)各種納米技術(shù)領(lǐng)域的大量進(jìn)一步研究和開發(fā)。