Synchrotron pada Meja anda? Melihat segala-galanya dengan mikroskop elektron
TEMUDUGA 02
Profesor Masami Terauchi
Institut Penyelidikan Pelbagai Disiplin untuk Bahan Lanjutan (IMRAM),
Makmal Penghabluran dan Spektroskopi Elektron Universiti Tohoku
Apakah perkara di hadapan kita ini? Untuk membuat pengenalan yang tepat, kita mesti mengetahui keadaan ikatan kimia. Bagaimana jika kita boleh melihat segala-galanya dengan mikroskop elektron?
Pembangunan instrumen yang bermula dengan idea seorang ahli mikroskop menyebabkan revolusi dalam pembuatan.
Kemudahan Synchrotron Atas Meja?
"Ia hampir seperti mempunyai synchrotron di atas meja saya" Profesor Masami Terauchi dari Institut Penyelidikan Pelbagai Disiplin untuk Bahan Lanjutan (IMRAM), Universiti Tohoku, tersenyum sambil mengulas.
Synchrotron ialah kemudahan yang menghasilkan pancaran ke atas pelbagai tenaga, daripada sinar-X lembut kepada sinar-X keras dan cahaya inframerah. Ia digunakan untuk mengukur susunan unsur dan keadaan ikatan kimia (keadaan elektronik) spesimen. SPring-8 ialah kemudahan synchrotron berkuasa tinggi di wilayah Hyogo. Cincin simpanan sahaja mempunyai diameter lebih daripada 450 meter. Ia adalah kemudahan yang sangat besar yang mengelilingi keseluruhan bukit.
Pemerhatian utama yang hanya boleh dibuat dengan kemudahan saiz ini kini boleh dilakukan dengan mesin yang muat di atas meja. Pencapaian pecah tanah ini adalah hasil projek Pembangunan Kolaboratif Benih Inovatif (peringkat pengesahan kebolehpraktisan), Agensi Sains dan Teknologi Jepun (JST), melibatkan JEOL, Universiti Tohoku, Shimadzu Corp., dan Agensi Tenaga Atom Jepun (JAEA) bekerja untuk membangunkan "spektrometer sinar-X lembut resolusi tenaga tinggi untuk digunakan dengan mikroskop elektron". Gabungan dengan mikroskop elektron menghasilkan instrumen yang mendedahkan keadaan ikatan kimia bahan.
Spektrometer sinar-X lembut dipasang pada SEM tungsten. Digunakan secara rutin di makmal.
3 faktor yang menentukan ciri-ciri bahan
Apabila membangunkan bahan baru, terdapat keperluan untuk mengetahui jenis perkara yang baru dibuat. Untuk menjawab soalan "apa itu?" terdapat tiga sifat yang mesti dicirikan; struktur kristal, komposisi kimia, dan keadaan ikatan kimia. Struktur kristal boleh dilihat dengan mudah pada tahap sub-nano dengan mikroskop elektron penghantaran (TEM) dan mikroskop elektron penghantaran imbasan (STEM), yang mana resolusinya telah meningkat dengan pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini. Untuk komposisi, bermakna unsur-unsur yang terdapat dalam bahan, bukan sahaja mungkin untuk melakukan analisis kualitatif dan kuantitatif dengan spektroskopi pelepasan sinar-X (XES), tetapi ini juga boleh digabungkan dengan mikroskop elektron untuk menangkap imej pengedaran unsur.
Untuk sifat akhir, keadaan ikatan kimia ditentukan oleh keadaan tenaga elektron. Contohnya, walaupun benda yang dibuat daripada unsur yang sama boleh mempunyai sifat yang sangat berbeza, seperti arang, berlian, fullerene atau graphene, yang kesemuanya terdiri daripada atom karbon (C). Perbezaan dalam sifat timbul daripada perbezaan dalam keadaan ikatan, ketumpatan elektron dalam mana-mana orbit tertentu di sekeliling nukleus atom karbon. Untuk dapat melihat keadaan tenaga elektron akhirnya memungkinkan untuk memahami dan mengenal pasti bahan. Melihat elektron dan keadaan ikatan secara konvensional menjadi keistimewaan kemudahan synchrotron.
Melihat keadaan ikatan kimia dengan mikroskop elektron
Profesor Terauchi telah terlibat dalam pembangunan mikroskop elektron untuk masa yang lama; tetapi, suatu hari dia mula merasakan ada sesuatu yang masih hilang.
"Dengan kemajuan dalam mikroskop elektron, ia menjadi mudah untuk melihat struktur kristal, tetapi masih tidak mungkin untuk mendapatkan set data lengkap tanpa menggunakan spektrometer sinar-X dan menggunakan synchrotron. Saya mula tertanya-tanya sama ada mungkin untuk mendapatkan tiga jenis data ini hanya menggunakan mikroskop elektron."
Dengan idea ini, profesor memulakan penyelidikan dan pembangunannya sendiri.
Elektron dalam cangkang orbit terluar atom berkait rapat dengan ikatan kimia. Ini dipanggil elektron valens. Sehubungan itu, mengukur taburan tenaga elektron valens adalah sangat penting untuk mengenal pasti sifat fizikal.
Spektroskopi Fotoelektron (PES) sering digunakan untuk memerhati keadaan tenaga elektron valens. Teknik mengukur fotoelektron yang dipancarkan daripada permukaan sampel apabila ia disinari dengan rasuk (ultraviolet atau X-ray) mempunyai ketepatan yang sangat baik; tetapi, adalah perlu untuk memastikan bahawa permukaan sampel adalah sangat bersih, dan untuk membuat pengukuran di bawah vakum ultra-tinggi.
Satu lagi pendekatan yang diketahui ialah menggunakan XES untuk analisis komposisi. Vakum ultra-tinggi tidak diperlukan untuk pengukuran, dan tiada kesukaran dengan bahan penebat. Melihat potensi dalam kesederhanaan ini, Profesor Terauchi membuat satu siri prototaip peranti XES resolusi tinggi yang boleh dipasang pada mikroskop elektron.
Apabila rasuk digunakan pada spesimen, elektron kulit dalam melompat ke atas jalur valens (keadaan ikatan) dan diikuti dengan peralihan elektron valens (elektron ikatan) ke kulit dalam yang kosong, memancarkan sinar-X pada masa itu. Untuk menangkap ini, jika tenaga dan keamatannya diukur, adalah mungkin untuk menentukan keadaan tenaga elektron ikatan dalam petala terluar. Walau bagaimanapun, penyebaran tenaga elektron valens hanya kira-kira 5 hingga 10 eV, jadi resolusi tenaga sekurang-kurangnya 1 eV diperlukan.
“Pada masa kajian itu dimulakan pada 2000, konsep itu diumumkan pada mesyuarat akademik. Saya masih ingat mendengar orang berkata bahawa resolusi setinggi itu adalah mustahil,” kata Profesor Terauchi.
Namun begitu, dia meneruskan kerjanya.
Terdapat 3 komponen utama: cermin pengumpul, parut difraksi dan pengesan.
Untuk cekap mengumpul sinar-X yang bertaburan, dia mereka cermin sendiri. Untuk mengimbangi penyimpangan imej, kisi pembelauan unik dengan jarak alur yang berbeza-beza secara sistematik telah digunakan. Tambahan pula, untuk menangkap isyarat sinar-X lembut yang lemah, dia memperoleh CCD pencahayaan belakang khas, tanpa salutan anti-pantulan. Bekerja dengan ini, dia terus membuat penambahbaikan.
JEOL menyertai pasukan itu pada tahun 2006, dan pembangunan untuk membuat versi komersial telah dimulakan. Melalui proses ini, satu spesifikasi telah dibangunkan untuk membolehkan pengesanan walaupun litium, yang mempunyai tenaga yang sangat rendah.
Kesederhanaan yang luar biasa mengubah pembuatan
"Walaupun dengan mata tua saya, ia adalah mudah" Profesor Terauchi berkata, memakai pembesar ikat kepala, dengan cepat menetapkan sampel.
Oleh itu, ia pertama kali digabungkan dengan TEM. Untuk pemerhatian spektrum Al-L aluminium, spektrometer sinar-X lembut yang mampu mengukur dengan resolusi tenaga tinggi 0.2 eV telah dibangunkan. Pada tahun 2013, jenis yang boleh dipasang pada mikroanalisis probe elektron (EPMA) atau mikroskop elektron pengimbasan (SEM) telah diumumkan. Kepekaan pengesanan adalah 2 urutan magnitud lebih baik daripada EPMA konvensional untuk boron, bahan tambahan yang berguna untuk meningkatkan kualiti keluli. Resolusi juga dipertingkatkan dengan lebih daripada susunan magnitud berbanding EPMA konvensional.
“Banyak unsur yang menjadi kunci kepada pembangunan bahan baharu, seperti litium, magnesium, boron, nitrogen, dan karbon, mengeluarkan isyarat sinar-X lembut apabila pancaran elektron digunakan. Ini kini boleh diperhatikan di lapangan, di tapak di mana pembangunan material sedang dilakukan. Kami boleh menjangkakan untuk melihat pecutan dalam pembangunan bahan baharu yang mempunyai nilai tambah tinggi.”
"Perkara utama ialah ini adalah mikroskop. Anda boleh melihat spesimen dan menyemak struktur kristal. Anda boleh mengezum masuk pada kawasan yang diminati dan menganalisis keadaan ikatan kimia. Ini bukan sesuatu yang boleh dilakukan di kemudahan synchrotron.”
Keupayaan untuk memperoleh data dengan operasi SEM juga amat dihargai.
“Memandangkan teknik penyediaan sampel khas tidak diperlukan, anda boleh mengambil sampel dengan sepasang pinset, kemudian anda boleh menetapkan spesimen dalam masa kira-kira tiga minit, kemudian mendapatkan data dalam masa lima minit. Tidak syak lagi bahawa kemudahan penggunaan ini akan menyebabkan perubahan besar di tapak pengeluaran.”
Pada masa ini, JEOL menawarkan jenis yang dipasang dengan EBSD (pembelauan penyerakan belakang elektron) untuk analisis orientasi. Dengan sistem ini, adalah mungkin untuk memperoleh 3 jenis data untuk "struktur kristal", "komposisi kimia" dan "keadaan ikatan kimia" sekaligus menggunakan SEM. Kami sedang berusaha keras untuk mencipta pangkalan data untuk pemeriksaan cap jari dengan spektrum yang diukur.
Masa untuk memasuki paradigma baharu untuk pembuatan akan tiba tidak lama lagi.
Permohonan kepada bahan baharu untuk sel bahan api
Karbon templat Zeolit (ZTC), bahan calon untuk sel bahan api dan elektrod bateri boleh dicas semula, sedang dikaji oleh Prof. Kyotani di IMRAM, Universiti Tohoku, mempunyai struktur rangkaian seperti bola tanpa membentuk bentuk bola lengkap seperti C60. Spektrometri sinar-X lembut mendedahkan bahawa ia adalah separa seperti berlian, dan separa melengkung seperti graphene (C60). Kewujudan keadaan ikatan khas yang tidak rawak mahupun berkala telah disahkan dengan spektrometer sinar-X lembut resolusi tenaga tinggi.
Masami Terauchi
Profesor, Institut Penyelidikan Pelbagai Disiplin untuk Bahan Lanjutan (IMRAM), Universiti Tohoku
Ph.D. dalam Fizik, Universiti Tohoku, dan juga menamatkan pengajian pasca kedoktoran. Menjadi pembantu di Institut Penyelidikan untuk Pengukuran Saintifik, Universiti Tohoku pada tahun 1990, kemudian meningkat ke jawatan sebagai pensyarah, dan penolong profesor sebelum menerima jawatan semasanya pada tahun 2002. Menerima Hadiah Persatuan Kristalografi Jepun pada tahun 1995 untuk “Pembangunan dan Aplikasi Kaedah CBED dan Sambungannya kepada (3+1)-Dimensional Crystallography", serta Hadiah Persatuan Mikroskopi Elektron Jepun (Hadiah Setou) untuk "Pembangunan Mikroskop EELS Resolusi Tenaga Tinggi dan Aplikasi untuk Bahan" pada tahun 2000 Juga menerima Anugerah Macres daripada Persatuan Analisis Microbeam pada tahun 2004 untuk "Spektrometer Sinar-X Lembut Penyerakan Panjang Gelombang Resolusi Tenaga Tinggi untuk Mikroskop Elektron Penghantaran untuk Menyiasat Elektron Valensi".
Disiarkan: Januari 2015