磁性材料的直接原子分辨成像 世界簡訊

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在傳統的電子顯微鏡中，對磁性材料進行原子分辨率觀察特別困難，因為磁場物體內的樣品不可避免地會產生高磁場。新開發的磁物鏡系統在樣品位置提供無磁場環境。這使得能夠對諸如硅鋼的磁性材料進行直接的原子分辨成像。該新型電子顯微鏡有望廣泛用于先進磁性材料的研究和開發。

根據JST-SENTAN計劃(日本科學技術廳高級測量與分析系統與技術開發)，東京大學和日本電子株式會社的Naoya Shibata教授的聯合開發團隊開發了革命性的電子顯微鏡它采用了新設計的磁性物鏡，并實現了具有亞空間分辨率的材料的直接原子分辨成像，樣品位置的殘余磁場小于0.2 mT。據我們所知，這是第一次實現這一目標。

自1931年透射電子顯微鏡(TEM)的開創性發明以來的88年中，研究人員不斷尋求更好的空間分辨率。具有較小透鏡像差系數的磁性物鏡的設計是必要的，并且用于掃描TEM(STEM)的像差校正透鏡系統已經實現了亞空間分辨率。

當前用于原子分辨率TEM / STEM的磁聚光器 - 物鏡系統的一個關鍵缺點是樣品必須插入高達2-3T的非常高的磁場中。這樣的高磁場會嚴重妨礙原子分辨率成像。許多重要的軟/硬磁材料，如硅鋼，因為強磁場可以極大地改變 - 甚至破壞 - 材料的磁性和有時物理結構。最近，新型磁性材料的發展迅速發展。由于原子級結構分析是上述技術的關鍵，因此長期以來一直需要解決該問題。

該聯合團隊開發了一種新的無磁場物鏡系統，包含兩個圓形鏡頭，相對于樣品平面以精確的鏡像對稱配置定位。這種新的透鏡系統在樣品位置提供極小的殘余磁場，同時將強烈激發的前/后物鏡放置得足夠靠近樣品，以獲得原子分辨率成像必不可少的短焦距條件。因此，在樣品中心附近產生的殘留磁場遠小于0.2mT，這比用于原子分辨率TEM / STEM成像的常規磁性物鏡透鏡的值小10,000倍。

聯合小組利用這一新系統觀察了晶粒取向硅鋼片的原子結構，這是最重要的軟磁工程材料之一。該片材用作電力變壓器和電動機的核心材料，并且長期以來一直在尋求其對各個缺陷的原子分辨率表征。使用新開發的透鏡系統，清晰地觀察到硅鋼的分辨原子結構，并且在無磁場環境中實現了直接的原子分辨成像，用于電子顯微鏡，實現了磁性材料的前所未有的原子級結構表征。

新開發的電子顯微鏡可以以與傳統TEM / STEM相同的方式操作。預計將促進各種納米技術領域的大量進一步研究和開發。