在传统的电子显微镜中,对磁性材料进行原子分辨率观察特别困难,因为磁场物体内的样品不可避免地会产生高磁场。新开发的磁物镜系统在样品位置提供无磁场环境。这使得能够对诸如硅钢的磁性材料进行直接的原子分辨成像。该新型电子显微镜有望广泛用于先进磁性材料的研究和开发。

根据JST-SENTAN计划(日本科学技术厅高级测量与分析系统与技术开发),东京大学和日本电子株式会社的Naoya Shibata教授的联合开发团队开发了革命性的电子显微镜它采用了新设计的磁性物镜,并实现了具有亚空间分辨率的材料的直接原子分辨成像,样品位置的残余磁场小于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)的开创性发明以来的88年中,研究人员不断寻求更好的空间分辨率。具有较小透镜像差系数的磁性物镜的设计是必要的,并且用于扫描TEM(STEM)的像差校正透镜系统已经实现了亚空间分辨率。

当前用于原子分辨率TEM / STEM的磁聚光器 - 物镜系统的一个关键缺点是样品必须插入高达2-3T的非常高的磁场中。这样的高磁场会严重妨碍原子分辨率成像。许多重要的软/硬磁材料,如硅钢,因为强磁场可以极大地改变 - 甚至破坏 - 材料的磁性和有时物理结构。最近,新型磁性材料的发展迅速发展。由于原子级结构分析是上述技术的关键,因此长期以来一直需要解决该问题。

该联合团队开发了一种新的无磁场物镜系统,包含两个圆形镜头,相对于样品平面以精确的镜像对称配置定位。这种新的透镜系统在样品位置提供极小的残余磁场,同时将强烈激发的前/后物镜放置得足够靠近样品,以获得原子分辨率成像必不可少的短焦距条件。因此,在样品中心附近产生的残留磁场远小于0.2mT,这比用于原子分辨率TEM / STEM成像的常规磁性物镜透镜的值小10,000倍。

联合小组利用这一新系统观察了晶粒取向硅钢片的原子结构,这是最重要的软磁工程材料之一。该片材用作电力变压器和电动机的核心材料,并且长期以来一直在寻求其对各个缺陷的原子分辨率表征。使用新开发的透镜系统,清晰地观察到硅钢的分辨原子结构,并且在无磁场环境中实现了直接的原子分辨成像,用于电子显微镜,实现了磁性材料的前所未有的原子级结构表征。

新开发的电子显微镜可以以与传统TEM / STEM相同的方式操作。预计将促进各种纳米技术领域的大量进一步研究和开发。