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电子显微镜再获突破!磁性材料直接的原子分辨成像

日期: 2019-06-17
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在传统电子显微镜中,对磁性材料进行原子分辨率的观察特别困难,因为高磁场不可避免地施加在磁性物镜内的样品上。新开发的磁物镜系统为样品位置提供了一个无磁场环境。这使得直接,原子分辨率成像的磁性材料,如硅钢。这种新型电子显微镜有望广泛应用于先进磁性材料的研究和开发。在日本科学技术厅JST-SENTAN项目下,东京大学Shibata Naoya教授和JEOL Ltd:

联合开发团队开发了一种革命性的电子显微镜,新型电子显微镜结合了新设计的磁性物镜,实现了对材料的亚空间分辨率直接原子分辨率成像,在试样位置处残余磁场小于0.2 mT。据我们所知,这是第一次实现这一目标。自1931年透射电子显微镜(TEM)开创性发明以来的88年里,研究人员一直在追求更好的空间分辨率。设计小透镜像差系数的磁性物镜是必要的。

电子显微镜再获突破!磁性材料直接的原子分辨成像

用于扫描TEM (STEM)像差校正透镜系统已达到亚空间分辨率。目前用于原子分辨率TEMs/ stem磁凝物镜系统的一个关键缺点是,样品必须插入高达2-3 t非常高的磁场中。如此高的磁场会严重阻碍许多重要的软硬磁性材料原子分辨率成像,比如硅钢,因为强磁场会极大地改变甚至破坏材料的磁性,有时甚至是物理结构。近年来,新型磁性材料的发展迅速。由于原子尺度结构分析是上述技术的关键,长期以来一直需要解决这一问题。

电子显微镜再获突破!磁性材料直接的原子分辨成像

联合研究小组已经开发出一种新的无磁场物镜系统,其中包括两个圆形物镜,它们的位置与样品平面镜像对称。这种新透镜系统在样品位置提供极小的剩余磁场,同时将强激发的前/后物镜放置在离样品足够近的位置,获得原子分辨率成像所必需的短焦距条件。因此,样品中心附近产生的残余磁场远小于0.2 mT,是常规原子分辨率TEM/STEM成像磁性物镜值的1万倍。联合研究小组利用这个新系统观察了硅钢片的原子结构,硅钢片是最重要的软磁工程材料之一。

电子显微镜再获突破!磁性材料直接的原子分辨成像

这种薄膜被用作变压器和电动机的核心材料,其对单个缺陷的原子分辨率表征一直是人们所追求的。利用新开发的透镜系统,清晰地观察硅钢的分辨原子结构,实现了电子显微镜在无磁场环境下的直接原子分辨成像,实现了磁性材料前所未有的原子级结构表征。新研制的电子显微镜操作方法与传统TEMs/茎秆相同,有望促进各种纳米技术领域的进一步研究和发展。


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