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显微镜检查

显微镜检查

微观进步重新定义了科学

10 Jun 2008

皇家显微学会会长 马克·雷佛斯告诉西恩·哈里斯(SiânHarris),电子显微镜的复兴如何推动材料研究的发展并带来新的纳米技术。

马克·雷佛斯

马克·雷恩福斯(Mark Rainforth)是英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)的工程材料教授,并参与了英国皇家显微镜学会(均方根值 ),因为他是一名博士生。他的研究包括使用电子显微镜研究金属,陶瓷和涂层中的界面和表面。

Rainforth自2006年以来一直担任RMS总裁,负责监督一个组织,该组织促进显微镜的各个方面,并允许所有显微学家(包括用户和仪器开发人员)进行交互。该协会有1000多名成员,不仅包括物理学家,还包括物质科学家,生命科学家,牙医甚至考古学家。

最近电子显微镜中最激动人心的突破是什么?

有太多的东西,很难将它们全部包括在内。我记得几年前去参加一次演讲,演讲者预测在显微镜下没有令人兴奋的事情发生,所有的变化都是渐进的。实际上,过去五年来,显微镜界经历了复兴。

对我来说,最大的进步也许就是能够校正具有圆形镜片的球差。显微镜的分辨率一直受到这种像差的限制。人们很久以来就知道,可以通过测量球面像差并使用特殊的透镜(称为“光杆”)将相等和相反的像差放入来纠正这些问题。但是,这需要许多镜头和大量图像处理功能,因此只有随着计算能力的提高才真正可能。

在此之前,只能产生作为原子“投影”的图像,而不是材料中原子的实际单个列。这种投影是通过将许多衍射电子束重组以产生干涉图像而得出的,该干涉图像仅在非常仔细定义的条件下才能为我们提供有关原子结构的直接信息。现在,使用无像差透射电子显微镜,我们可以获得真实的原子图像,并了解原子之间各个键的物理原理。

理查德·费曼(Richard Feynman)在1959年曾有句著名的话说:“对任何复杂的物质进行分析都是非常容易的。一个人所要做的就是看它,看看原子在哪里……我提出这一挑战是:没有办法使电子显微镜更强大吗?”近50年后,这一挑战得到了解决。

还有哪些其他有趣的发展?

许多材料的结构取决于原子的键合方式,必须在埃(0.1 nm)长度尺度上进行研究。但是要了解粘合如何影响肉眼所见,我们必须能够在更大的样品区域进行此类测量。

电子背散射衍射(EBSD)通过使用扫描电子显微镜(SEM)确定纳米级样品中原子的晶体结构和晶体取向来应对这一挑战。真正令人兴奋的是,您可以使用SEM扫描宽广的区域,从而可以以纳米级的分辨率覆盖材料表面的平方厘米。

该过程非常耗费计算机资源,并且随着计算机功能和数码相机的发展,这种过程直到最近才成为可能。其中一些最新技术将于本月晚些时候在伦敦的 微观科学2008 会议。

这些发展是否正在推动新的科学技术?

是的,但这很难总结,因为有很多有趣的案例。的确,这种复兴几乎使我们重新审视了所有已知的科学。

纳米科学和纳米技术被广泛认为具有巨大的潜在利益。但是,如果没有直接探测原子结构的能力,该技术就无法以逻辑方式发展。这不仅意味着原子的物理位置,而且还意味着其原子序数和电荷以及与周围原子的键合类型以及与周围原子的键合类型。显微镜的发展开始使这一点成为可能。

显微镜还使我们能够在纳米级上操纵物体。例如,可以使用显微镜观察如何将碳纳米管移动到样品上的特定位置。在电子组件中,我们现在可以查看薄膜与其基材之间的界面,并了解薄膜内的化学分布。例如,这种理解有助于使导致移动电话更小的部件进一步小型化。

显微技术的突破还增强了我们了解材料中有意或不可避免的微量元素的影响的能力,这可以极大地改变其性能。在最新的透射电子显微镜(TEM)技术问世之前,确定痕量元素在材料结构内的位置非常困难。现在,这种显微技术将例如对固体氧化物燃料电池的降解机理带来新的认识。同样,开发新的高强度轻质钢也将依靠最新的高分辨率技术。

显微镜的复兴对您的研究领域有何影响?

我的研究重点是对表面和界面的理解。显微镜是金属科学,陶瓷,涂料或生物材料的基础,并解释了我们在材料科学中的所有工作。

我使用了多种技术,有时需要结合多种技术。例如,我使用聚焦离子束显微镜对切片表面进行后续的高分辨率TEM研究。使用这种情况的一种情况是检查髋关节假体在体内时发生的动态变化。

当今显微镜技术面临哪些挑战,以及如何应对?

当前的挑战跨越了许多长度尺度,从达到真正的原子分辨率,到能够在微观水平上发现,随机嵌入大物体中的关键特征。

对于原子分辨率,第一代像差校正器在分辨率和理解上提供了惊人的进步。下一代(五阶)像差校正器和色差校正器,以及新的电子枪设计,将在几年内将电子的空间分辨率提升到一个新的水平。单原子电子光谱应几乎成为常规。此类技术也将内置于SEM中,从而在对表面的理解上取得重大进展。

在长度标尺的另一端,自动阶段与先进的图像分析和相关技术(例如高通量电子反向散射电子衍射)相结合,将在以统计学上有意义的方式解析精细标尺结构的能力方面取得重大进展。这种技术将使制造大型项目的工程公司受益,这些项目的性质由精细的结构决定。

变化率在各个方面都非常显着。我对新技术的出现感到惊讶,我完全希望将来会继续感到惊讶。哪个更好的时间成为显微镜专家?

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