ty8天游线路检测中心 同步加速器辐射装置现在就在您的办公桌上吗？一台设备就能“看到一切”的电子显微镜

采访 02

东北大学多学科材料科学研究所先进测量开发中心
电子衍射/光谱学研究领域寺内正美教授

你面前的是什么？
在确定这一点时，观察化学键的状态是一个重要的过程。
我想用电子显微镜看到这么多。
从一位研究人员的想法开始的一种设备的开发即将给制造领域带来巨大的变化。

同步加速器辐射设施现在就在您的办公桌上吗？

“它可能类似于桌子上的同步加速器辐射设施。”
东北大学多学科材料科学研究所教授寺内雅美眼中闪烁着光芒说道。
同步加速器辐射设备是一种产生从软X射线到硬X射线再到红外线的宽能量范围的光的装置，用于测量样品的元素排列和化学键态（电子态）。 SPring-8（兵库县）是具有代表性的高亮度同步加速器辐射设施，是一座环绕整座山丘而建造的巨型设施，拥有对直径超过450米的电子进行加速的存储环（圆形加速器）。
如果不使用此类设施就不可能进行大规模观测，现在可以使用办公桌上的机器来完成。这项突破性的成果是由日本电子、东北大学、岛津制作所和日本原子能机构在日本科学技术振兴机构产学联合种子创新项目（培育阶段）下开发的“用于电子显微镜的高能分辨率软X射线发射光谱仪”。该设备与电子显微镜相结合，可以揭示事物的化学键合状态。

决定事物本质的三个要素

开发新材料时，当然需要检查成品是什么。为了确定它是什么，必须确定三件事：晶体结构、成分和化学键合状态。使用透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）可以轻松观察亚纳米级的晶体结构，近年来它们的分辨率迅速提高。 X射线发射光谱（XES）不仅可以用于定性和定量分析成分，即可见物体中含有哪些元素，还可以与电子显微镜结合使用来捕获元素分布的图像。
最后的“化学键状态”由电子的状态决定。例如，即使是由相同的碳 (C) 制成的物体也可以变成木炭、钻石、富勒烯或石墨烯，具体取决于电子所在的原子核周围的轨道以及密度。每种物质的物理性质差异如此之大，可以说是完全不同的，所以通过能够看到电子态，我们可以说我们终于到达了物体的真实本质。到目前为止，这片区域被认为是同步加速器辐射设施的专属领域。

我想用电子显微镜观察化学键状态

长期致力于电子显微镜开发的寺内教授说，有一天他经常感觉缺少了一些东西。 “随着电子显微镜的进步，观察晶体结构变得更加容易，但从那时起，如果不使用 X 射线光谱仪或在同步加速器辐射设施进行测量，就不可能编制一组数据。仅使用电子显微镜就可以收集所有三种类型的数据的想法变得更加强烈。”

带着这些想法，教授开始了自己的研发。
电子或价电子围绕原子中最外层电子运行，深深参与化学键。因此，测量价电子的能量分布对于确定物理性质非常重要。
光电发射光谱（PES）通常用于观察价电子态密度的分布。该方法测量样品受到光（紫外线或X射线）照射时样品表面发射的光电子，具有极好的精度，但样品表面必须极其清洁，并且测量必须在超高真空下进行。
另一种众所周知的方法是 XES，它也用于成分分析。测量不需要超高真空环境，也不需要绝缘体。 Terauchi 教授看到了其简单性的潜力，并反复制作了可以安装在显微镜上的高分辨率 XES 设备的原型。
当电子束击中样品时，电子会跃过壳层并发射 X 射线。通过捕获它并测量其能量和强度，我们可以确定最外层电子的密度。然而，价电子的能量分布宽度仅为5至10eV。在这种情况下，需要实现至少 1 eV 的能量分辨率。
“我仍然记得当我在 2000 年开始研究时，当我在一个研究小组中提出这个概念时，我被告知如此高分辨率是不可能的，”寺内教授回忆道。然而，寺内教授毫不犹豫地继续他的研究。
由三个关键部件组成：聚焦镜、衍射光栅和探测器。
为了有效收集否则会分散的X射线，我们自己设计了聚光镜。此外，我们采用了独特的日本衍射光栅，系统地改变凹槽间距以校正成像像差。此外，为了捕获非常小的X射线信号，我们购买了没有防反射涂层的特殊背照式CCD，并将所有在传感器前面展开的布线内置到背面，并重复每次调整。
从2006年开始，JEOL加入该团队并开始以商业化为目标的开发。在此过程中，设计了甚至可以检测能量较小的锂的规格，并进行了进一步的改进。

压倒性的简单性改变了制​​造业

在燃料电池新材料中的应用

东北大学多学科材料科学研究所正在研究的一种新型碳材料，例如沸石碳，具有类似富勒烯 (C60) 的球形形状，但它不是卷曲的，而是形成网络。进行软X射线光谱分析时，使用高能分辨率软X射线发射光谱仪证实该材料具有既不是随机也不是周期性的特殊键合状态，有些部分是类金刚石，有些部分是类石墨。这种新材料有望用作可吸收大量氢气的燃料电池材料。

发布时间：2014 年 12 月

SXES（软 X 射线发射光谱仪）

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