天游线路检测中心 超高分辨率电子显微镜加速材料科学

采访 01

东京大学大学院工学研究组织
几原雄一教授

From manufacturing that relies on experience and intuition to rational manufacturing based on theory and its verification
JEOL 的超高分辨率电子显微镜有望为材料科学带来重大进步。

探索晶界

金属和陶瓷等工业材料具有由大量小晶粒组成的多晶结构。这些晶体相遇的区域称为晶界，近年来它们引起了很多关注，因为它们在决定材料的性能方面起着决定性作用。
“晶体表面、界面、位错和原子空位等晶格失配区域通常具有周期性扰动和独特的电子结构，这是完美晶体中不存在的功能表达的起源。如果我们能够阐明晶界的原子和电子结构以及功能表达的机制，我们可以预期对工业产生巨大的连锁反应，例如开发具有新功能的材料。”
东京大学大学院工学研究组织教授几原雄一教授说道。自研究生时代以来，他一直致力于阐明原子水平的晶界，并继续他的研究，重点是使用电子显微镜进行实际测量。

材料工程的范式转变

这项研究的重大突破是扫描透射电子显微镜 (STEM) 球面像差校正技术的出现。由于电子显微镜的结构，电子透镜产生的图像周边的模糊（球面像差）被认为是不可避免的。然而，通过利用线圈产生的磁力缩小电子束的范围，我们能够显着减少这种情况并实现超高分辨率，使我们能够直接观察埃以下的世界。尽管这种方法在理论上早已为人所知，但人们认为实施起来很困难，因此在 20 世纪 90 年代末这项技术的相继公布让相关人员感到震惊。
几原教授就是其中之一。
“我们可以在原子水平上阐明为什么材料具有它们所具有的功能。这可以说是材料工程史上最重要的范式转变之一。”
例如，众所周知，在氧化铝（氧化铝）中添加少量稀土钇可以使其变得非常坚固，但从未证实为什么会发生这种情况。 Ikuhara教授在日本首次推出配备球面像差校正装置的STEM，并用其观察和比较添加钇前后的氧化铝界面。清楚地证实，钇原子周期性地进入氧化铝晶界中的独特位点，将氧化铝中的离子键转化为共价键。这一发现也发表在2006年的《科学》杂志上。这清楚地展示了球差校正技术的威力。
此后，几原教授陆续在《科学》和《自然》杂志上发表了原子级晶界分析的结果，并为表彰他的成就，他于2010年获得了德国洪堡奖，并于2013年获得了文部科学大臣奖。
此外，近年来，我们一直在研究陶瓷晶体界面中形成的原子排列扭曲的缺陷结构。利用超级计算机进行理论计算，我们设计了一种具有传统材料中没有的缺陷结构的陶瓷。通过使用球差校正STEM观察缺陷结构，我们可以确认它是否是根据理论产生的。
“这种方法与传统材料开发依靠直觉和积累经验的方法完全相反。根据计算和观察得出的理性方法，通过人为控制晶格缺陷结构，未来材料科学必将加速发展。”几原教授眼中闪烁着光芒。

Ultra high resolution that can also observe hydrogen atoms

几原教授的实验室是世界上第一个引进JEOL超高分辨率电子显微镜“GRAND ARM”的实验室。标准配备冷阴极场发射电子枪，最高加速电压为300kV，是配备自主开发的球面像差校正装置的最新型号，STEM分辨率为45pm*。几原教授表示赞同，他说：“我们可以详细观察氢和锂等轻元素的近距离。可以说分辨率已经达到了足够的水平。”

（左）氧化钛晶体的 [110] 方向的 HAADF-STEM 图像和（右）ABF-STEM 图像（使用 GRAND ARM 拍摄）。
在ABF-STEM图像中，可以单独观察到相邻的氧原子柱。

我们还高度评价了控制器的操作感以及样本倾斜角度的大量回旋余地。
“在 JEOL 的电子显微镜部门，有许多研究材料科学的工程师。事实上，从用户的角度进行开发可能会在可用性方面产生良好的结果，”教授观察到。

• 制造商的保证值为下午 63 点

产学合作创新

The background to this evolution is an efficient research and development system based on industry-academia collaboration Since 2005, the University of Tokyo and JEOL have jointly operated the "JEOL-University of Tokyo Industry-Academia Collaboration Office"通过在东京大学的设施中安装包括 GRAND ARM 在内的 10 多台 JEOL 电子显微镜，并支持东京大学研究生院工程研究组织的研究，我们能够倾听用户和材料科学家的声音，并将其快速反映到产品设计中，从而导致产品在过去几年中快速发展。
“产学合作办公室的GRAND ARM吸引了许多来自其他国家的参观者，其影响力备受关注。随着这里产生的成果和观察方法传播到世界各地，各种制造业可能会发生巨大的改变。”
人们对 STEM 的发展有着无尽的期望。

发布时间：2014 年 9 月