Synchrotron บนโต๊ะทำงานของคุณ? การมองทุกสิ่งด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
สัมภาษณ์ 02
ศาสตราจารย์ มาซามิ เทราอูชิ
สถาบันวิจัยสหสาขาวิชาชีพสำหรับวัสดุขั้นสูง (IMRAM)
ห้องปฏิบัติการผลึกศาสตร์อิเล็กตรอนและสเปกโทรสโกปี มหาวิทยาลัยโทโฮคุ
สิ่งนี้คืออะไรต่อหน้าเรา? เพื่อให้การระบุตัวตนถูกต้อง เราต้องรู้สถานะพันธะเคมี จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราเห็นทุกอย่างด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน?
การพัฒนาเครื่องมือที่เริ่มต้นด้วยแนวคิดของนักกล้องจุลทรรศน์คนหนึ่งทำให้เกิดการปฏิวัติในการผลิต
สิ่งอำนวยความสะดวก Synchrotron โต๊ะ?
“เกือบจะเหมือนกับการมีซิงโครตรอนบนโต๊ะทำงานของฉัน” ศาสตราจารย์ Masami Terauchi จากสถาบันวิจัยสหสาขาวิชาชีพสำหรับวัสดุขั้นสูง (IMRAM) มหาวิทยาลัย Tohoku ยิ้มขณะที่เขาแสดงความคิดเห็น
ซินโครตรอนคือโรงงานที่ผลิตลำแสงด้วยพลังงานที่หลากหลาย ตั้งแต่เอ็กซ์เรย์แบบอ่อนไปจนถึงเอ็กซ์เรย์แบบแข็ง และแสงอินฟราเรด ใช้สำหรับวัดการจัดเรียงองค์ประกอบและสถานะพันธะเคมี (สถานะอิเล็กทรอนิกส์) ของตัวอย่าง SPring-8 เป็นโรงงานซินโครตรอนกำลังสูงในจังหวัดเฮียวโงะ วงแหวนจัดเก็บเพียงอย่างเดียวมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 450 เมตร มันเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบเนินเขาทั้งหมดอย่างสมบูรณ์
การสังเกตที่สำคัญที่สามารถทำได้ด้วยเครื่องมือขนาดนี้ ตอนนี้เป็นไปได้ด้วยเครื่องที่วางไว้บนโต๊ะ ความสำเร็จครั้งยิ่งใหญ่นี้เป็นผลมาจากโครงการความร่วมมือด้านการพัฒนาเมล็ดพันธุ์นวัตกรรม (ขั้นตอนการตรวจสอบความสามารถในการปฏิบัติ) สำนักงานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศญี่ปุ่น (JST) ที่เกี่ยวข้องกับ JEOL, Tohoku University, Shimadzu Corp. และ Japan Atomic Energy Agency (JAEA) กำลังทำงานเพื่อพัฒนา "เอ็กซ์เรย์สเปคโตรมิเตอร์แบบอ่อนกำลังแรงสูงสำหรับใช้กับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน" การผสมผสานกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้เกิดเครื่องมือที่แสดงสถานะพันธะเคมีของวัสดุ
เอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์แบบอ่อนติดตั้งบน SEM ของทังสเตน ใช้เป็นประจำในห้องปฏิบัติการ
3 ปัจจัยที่กำหนดคุณสมบัติของวัสดุ
ในการพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ ย่อมมีความจำเป็นที่จะต้องคิดให้ออกว่าเพิ่งสร้างอะไรขึ้นมา เพื่อตอบคำถามว่ามันคืออะไร? มีคุณลักษณะสามประการที่ต้องมีลักษณะเฉพาะ โครงสร้างผลึก องค์ประกอบทางเคมี และสถานะพันธะเคมี โครงสร้างผลึกสามารถสังเกตได้ง่ายในระดับนาโนนาโนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (TEM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสแกน (STEM) ซึ่งความละเอียดได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สำหรับองค์ประกอบ หมายถึงองค์ประกอบที่มีอยู่ในวัสดุ ไม่เพียงแต่จะทำการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณด้วย X-ray emission spectroscopy (XES) ได้เท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ร่วมกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อจับภาพของ การกระจายขององค์ประกอบ
สำหรับแอตทริบิวต์สุดท้าย สถานะพันธะเคมีถูกกำหนดโดยสถานะพลังงานของอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น แม้แต่สิ่งของที่ทำจากองค์ประกอบเดียวกันก็สามารถมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมาก เช่น ถ่านกัมมันต์ เพชร ฟูลเลอรีน หรือกราฟีน ซึ่งทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน (C) ความแตกต่างของคุณสมบัติเกิดจากความแตกต่างของสถานะพันธะ ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในวงโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมคาร์บอน เพื่อให้สามารถเห็นสถานะพลังงานของอิเล็กตรอนได้ในที่สุดทำให้สามารถเข้าใจและระบุวัสดุได้ การดูอิเล็กตรอนและสถานะการยึดเหนี่ยวเป็นเรื่องปกติของสิ่งอำนวยความสะดวกซินโครตรอน
การเห็นสถานะพันธะเคมีด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ศาสตราจารย์ Terauchi มีส่วนร่วมในการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมาเป็นเวลานาน แต่วันหนึ่งเขาเริ่มรู้สึกว่ามีบางอย่างขาดหายไป
“ด้วยความก้าวหน้าของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทำให้มองเห็นโครงสร้างผลึกได้ง่าย แต่ก็ยังไม่สามารถรับชุดข้อมูลที่สมบูรณ์ได้โดยไม่ต้องใช้เอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์และใช้ประโยชน์จากซินโครตรอน ฉันเริ่มสงสัยว่าจะสามารถรับข้อมูลทั้งสามประเภทนี้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้หรือไม่”
ด้วยแนวคิดนี้ อาจารย์จึงเริ่มทำการวิจัยและพัฒนาของตนเอง
อิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุดของวงโคจรของอะตอมมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพันธะเคมี สิ่งเหล่านี้เรียกว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้น การวัดการกระจายพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอนจึงมีความสำคัญมากในการระบุคุณสมบัติทางกายภาพ
โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปี (PES) มักใช้เพื่อสังเกตสถานะพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอน เทคนิคการวัดโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวตัวอย่างเมื่อฉายรังสีด้วยลำแสง (อัลตราไวโอเลตหรือเอ็กซ์เรย์) มีความแม่นยำเป็นเลิศ แต่จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นผิวของตัวอย่างสะอาดอย่างยิ่ง และทำการวัดภายใต้สุญญากาศที่สูงมาก
แนวทางที่ทราบอีกวิธีหนึ่งคือการใช้ XES สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบ การวัดค่าไม่จำเป็นต้องใช้สุญญากาศสูงมาก และวัสดุฉนวนก็ไม่มีปัญหา เมื่อเห็นศักยภาพในความเรียบง่ายนี้ ศาสตราจารย์ Terauchi ได้สร้างชุดต้นแบบของอุปกรณ์ XES ความละเอียดสูงที่สามารถติดตั้งบนกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
เมื่อลำแสงถูกนำไปใช้กับชิ้นงานทดสอบ อิเล็กตรอนของเปลือกในจะกระโดดขึ้นไปเหนือแถบเวเลนซ์ (สถานะพันธะ) และตามด้วยการเปลี่ยนผ่านของเวเลนซ์อิเล็กตรอน (พันธะอิเล็กตรอน) ไปยังเปลือกในที่ว่าง โดยปล่อยรังสีเอกซ์ในเวลานั้น ในการจับภาพนี้ หากวัดพลังงานและความเข้มของมัน เป็นไปได้ที่จะกำหนดสถานะพลังงานของพันธะอิเล็กตรอนในเปลือกนอกสุด อย่างไรก็ตาม การกระจายพลังงานของเวเลนซ์อิเล็กตรอนจะอยู่ที่ประมาณ 5 ถึง 10 eV เท่านั้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีความละเอียดของพลังงานอย่างน้อย 1 eV
“ในขณะที่เริ่มการศึกษาในปี 2000 ได้มีการประกาศแนวคิดในการประชุมวิชาการ ฉันยังจำได้ว่าเคยได้ยินคนพูดว่าความละเอียดสูงเช่นนี้เป็นไปไม่ได้” ศาสตราจารย์เทราอูชีเล่า
อย่างไรก็ตามเขายังคงทำงานของเขาต่อไป
มีองค์ประกอบหลัก 3 ส่วน ได้แก่ กระจกสะสม ตะแกรงเลี้ยวเบน และเครื่องตรวจจับ
เพื่อที่จะรวบรวมรังสีเอกซ์ที่กระจัดกระจายอย่างมีประสิทธิภาพ เขาจึงออกแบบกระจกของตัวเอง เพื่อชดเชยความคลาดเคลื่อนของภาพ จึงได้ใช้ตะแกรงเลี้ยวเบนเฉพาะที่มีระยะห่างระหว่างร่องที่ต่างกันอย่างเป็นระบบ นอกจากนี้ ในการจับสัญญาณเอ็กซ์เรย์ที่อ่อนแรง เขาได้รับ CCD แบบรับแสงด้านหลังแบบพิเศษ โดยไม่มีการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน การทำงานกับสิ่งเหล่านี้ เขาทำการปรับแต่งอย่างต่อเนื่อง
JEOL เข้าร่วมทีมในปี 2006 และเริ่มพัฒนาเป็นเวอร์ชันเชิงพาณิชย์ ผ่านกระบวนการนี้ ข้อมูลจำเพาะได้รับการพัฒนาเพื่อให้สามารถตรวจจับได้แม้กระทั่งลิเธียมซึ่งมีพลังงานต่ำมาก
ความเรียบง่ายที่ท่วมท้นเปลี่ยนแปลงการผลิต
“แม้จะอายุมากแล้ว ก็เป็นเรื่องง่าย” ศาสตราจารย์เทราอูจิกล่าวพร้อมกับสวมแว่นขยายแบบคาดศีรษะและตั้งค่าตัวอย่างอย่างรวดเร็ว
ดังนั้นจึงถูกรวมเข้ากับ TEM เป็นครั้งแรก สำหรับการสังเกตสเปกตรัมอลูมิเนียม Al-L ได้มีการพัฒนาเอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์แบบอ่อนที่สามารถวัดด้วยความละเอียดพลังงานสูงที่ 0.2 eV ในปี พ.ศ. 2013 ได้มีการประกาศประเภทที่สามารถติดตั้งกับเครื่องวิเคราะห์อิเล็กตรอนแบบไมโครแอนะล็อก (EPMA) หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ความไวในการตรวจจับนั้นดีกว่า EPMA ทั่วไปสำหรับโบรอนถึง 2 ลำดับ ซึ่งเป็นสารเติมแต่งที่มีประโยชน์สำหรับการปรับปรุงคุณภาพเหล็ก ความละเอียดยังได้รับการปรับปรุงมากกว่าลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับ EPMA ทั่วไป
“องค์ประกอบหลายอย่างที่เป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาวัสดุใหม่ เช่น ลิเธียม แมกนีเซียม โบรอน ไนโตรเจน และคาร์บอน จะปล่อยสัญญาณเอ็กซ์เรย์แบบอ่อนเมื่อใช้ลำแสงอิเล็กตรอน ซึ่งสามารถสังเกตได้จากภาคสนาม ณ บริเวณที่ทำการพัฒนาวัสดุ เราคาดหวังว่าจะได้เห็นการเร่งความเร็วในการพัฒนาวัสดุใหม่ที่มีมูลค่าเพิ่มสูง”
“ประเด็นหลักคือนี่คือกล้องจุลทรรศน์ คุณสามารถดูตัวอย่างและตรวจสอบโครงสร้างผลึกได้ คุณสามารถขยายพื้นที่ที่สนใจและวิเคราะห์สถานะพันธะเคมีได้ นี่ไม่ใช่สิ่งที่สามารถทำได้ที่โรงงานซินโครตรอน”
ความสามารถในการรับข้อมูลด้วยการดำเนินการ SEM ก็ได้รับการชื่นชมอย่างสูงเช่นกัน
“เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เทคนิคการเตรียมตัวอย่างแบบพิเศษ คุณสามารถเก็บตัวอย่างด้วยแหนบ จากนั้นคุณสามารถตั้งค่าตัวอย่างได้ในเวลาประมาณสามนาที จากนั้นรับข้อมูลภายในห้านาที ไม่ต้องสงสัยเลยว่าความง่ายในการใช้งานนี้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในไซต์การผลิต”
ปัจจุบัน JEOL เสนอประเภทที่ติดตั้ง EBSD (การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่สะท้อนกลับ) สำหรับการวิเคราะห์การวางแนว ด้วยระบบนี้ เป็นไปได้ที่จะได้รับข้อมูล 3 ประเภทสำหรับ "โครงสร้างผลึก" "องค์ประกอบทางเคมี" และ "สถานะพันธะเคมี" ทั้งหมดในคราวเดียวโดยใช้ SEM ขณะนี้เรากำลังทำงานอย่างหนักเพื่อสร้างฐานข้อมูลสำหรับการตรวจสอบลายนิ้วมือด้วยสเปกตรัมที่วัดได้
ใกล้ถึงเวลาเข้าสู่กระบวนทัศน์ใหม่สำหรับการผลิต
การประยุกต์ใช้วัสดุใหม่สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง
Zeolite template carbon (ZTC) ซึ่งเป็นวัสดุสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงและอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ ซึ่งกำลังวิจัยโดย Prof. Kyotani ที่ IMRAM มหาวิทยาลัย Tohoku มีโครงสร้างเครือข่ายคล้ายลูกบอลโดยไม่ทำให้เกิดรูปร่างเป็นลูกกลมๆ เช่น C60 Soft X-ray spectrometry เผยให้เห็นว่ามีลักษณะเหมือนเพชรบางส่วน และมีลักษณะเป็นกราฟีนโค้งบางส่วน (C60) การคงอยู่ของสถานะพันธะพิเศษที่ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญหรือเป็นระยะๆ ได้รับการยืนยันด้วยเอ็กซ์เรย์สเปกโตรมิเตอร์แบบอ่อนที่มีความละเอียดสูงซึ่งมีพลังงานสูง
มาซามิ เทราอูชิ
ศาสตราจารย์ สถาบันวิจัยสหสาขาวิชาชีพสำหรับวัสดุขั้นสูง (IMRAM) มหาวิทยาลัยโทโฮคุ
ปริญญาเอก ในสาขาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยโทโฮคุ และยังสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกอีกด้วย เป็นผู้ช่วยในสถาบันวิจัยการวัดทางวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยโทโฮคุในปี 1990 ต่อมาได้เลื่อนตำแหน่งเป็นอาจารย์และผู้ช่วยศาสตราจารย์ก่อนที่จะรับตำแหน่งปัจจุบันในปี 2002 ได้รับรางวัลจากสมาคมผลึกศาสตร์แห่งประเทศญี่ปุ่นในปี 1995 สำหรับ “การพัฒนาและการใช้งาน ของวิธี CBED และการขยายไปสู่ (3+1) - Dimensional Crystallography” รวมถึงรางวัลของ Electron Microscopy Society of Japan (Setou Prize) สำหรับ “การพัฒนากล้องจุลทรรศน์ EELS ความละเอียดสูงและการประยุกต์กับวัสดุ” ในปี 2000 นอกจากนี้ ยังได้รับรางวัล Macres Award จาก Microbeam Analysis Society ในปี 2004 สำหรับ “เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แบบ Soft-X-ray แบบกระจายความยาวคลื่นที่มีความละเอียดพลังงานสูงสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านเพื่อตรวจสอบเวเลนซ์อิเล็กตรอน”
โพสต์: มกราคม 2015