Dünyayı maddi dalgaların arasından görmek | Bölüm 2
İncelemek için burayı tıklayın: Dünyayı maddi dalgaların içinden görmek | Bölüm 1
03 Madde dalgalarının mikro kozmosuna girin
De Broglie'nin maddi dalga teorisi, insanlara mikrokozmosu gözlemleme ve anlama bilgeliği için bir anahtar sağlar. Tüm hareketli parçacıklar dalga-parçacık ikiliğine sahiptir Fark, farklı kütlelerinde, farklı yüklü hallerinde, farklı hareket hızlarında ve sergilenen maddenin farklı dalga boylarında yatmaktadır. Dalgaboyu, mikroskop gözleminin çözünürlüğünü belirleyen anahtar faktördür. Bilim ve teknolojinin ilerlemesiyle, insanlar farklı türde malzeme dalgası ışık kaynakları ve ilgili mikroskobik teknikler icat etmiş ve oluşturmuştur. Bu insani bilgelik kaynaklarına eşlik edelim, maddi dalgaların mikroskobik dünyasına yürüyelim ve birlikte daha iyi bir geleceğe doğru ilerleyelim!
3.1 Elektron ışını kaynağı altındaki mikro dünya
Kriyo-elektron mikroskobu
Kriyo-elektron mikroskobu teknolojisi, insanların eksiksiz virüsleri ve anahtar proteinleri analiz etmeleri için güçlü bir silahtır. 2006 yılında Kanadalı bilim adamları, SARS-CoV virüsünün yüzeyindeki sivri glikoproteinin (S proteini) üç boyutlu yapısını ilk kez analiz ettiler. Şekil 12'ye bakınız.
Şekil 12 SARS-CoV virüs kriyo-elektron mikroskobu görüntüsü ve üç boyutlu yeniden yapılandırılmış sözde renkli yapı diyagramı
Afrika domuz vebası virüsünün 2018'de Çin'e girmesi, ulusal domuz fiyatının art arda yükselmesine neden oldu. Çinli araştırmacılar, 4 aydan fazla bir süredir yüksek kaliteli veri toplamak için Cryo-TEM kullandı ve ardından Afrika domuz ateşi virüsünün (ASFV) 3D yapısını başarılı bir şekilde analiz etmek için tek parçacıklı 3D rekonstrüksiyon teknolojisini kullandı. 30 nm çapında hepatit A virüsü (HAV), 50 nm çapında Zika virüsü (ZIKA), 50 nm çapında Japon ensefalit virüsü (JEV), 125 nm çapında herpes simpleks virüsü (HSV) ve 260 nm çapında Afrika domuz ateşi virüsü ile karşılaştırıldığında Yapı, Şekil 13'te gösterildiği gibi devasa ve karmaşıktır.
Şekil 13 Çinli bilim adamları tarafından analiz edilen Afrika domuz ateşi yapısının şematik diyagramı
Bilimsel araştırmacıların sıkı çalışmasıyla SARS-CoV-2 virüsünün ince yapısının birkaç ay içinde çözüleceğine ve virüs istilacı hücrelerin temel protein yapısını ve etki alanlarını ortaya çıkararak, iyi etki ve yüksek güvenlikli bir aşı geliştirmek için olduğuna inanılıyor. Sağlam bir bilimsel temel oluşturun.
Son zamanlarda, yarı iletken endüstrisi 7 nm sürecine doğru gelişti ve 5 nm ve 3 nm işlemlerine doğru gelişmeye devam ediyor.Çip üretiminin zorluğu da artacak ve kalite yönetimi daha sıkı hale gelecektir. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM), atomik seviyeye kadar gözlem kabiliyeti ile gömülü parçacıklar ve açık delik kalıntıları gibi nano boyutlu kusurları etkili bir şekilde belirleyebilir.Üretim sürecindeki yaygın sorunlara işaret edecek ve ürün verimini büyük ölçüde artıracaktır. . Odaklanmış iyon ışınının (FIB) örneklemeyi ve örnek hazırlamayı doğru bir şekilde konumlandırma yeteneği ile birleştirildiğinde, çipteki herhangi bir konum üzerinde ayrıntılı yapısal analiz gerçekleştirilebilir. Ayrıca TEM enerji spektroskopi aksesuarları (EDX, EELS) ile numunenin element dağılım haritası analiz edilebilir. Şekil 14, düşük büyütme altında çipin enine kesitsel bir görünümüdür. Şekil 15, EELS elektron enerji kaybı spektrumundan elde edilen SrTiO3 / LaMnO3 arayüzünün atom düzeyinde element dağılım diyagramıdır.Yeşil Ti elementi, mavi Mn elementi, mor La elementi ve kırmızı Sr elementidir.
Şekil 14 Düşük büyütme altında çipin enine kesit görünümü ve EELS ile elde edilen element dağılımının sözde renk haritası
Şekil 15 EELS elektron enerji kaybı spektrumundan elde edilen SrTiO3 / LaMnO3 arayüzündeki atom düzeyinde element dağılımının sözde renkli bir görüntüsü. Yeşil Ti elementi, mavi Mn elementi, mor La elementi, kırmızı Sr elementi
Küresel aberasyon düzeltmesi için transmisyon elektron mikroskobu tekniği
2016 yılında, Cs ile düzeltilmiş TEM aracılığıyla, (SrTiO3) 10 / (PbTiO3) 10 süper örgü yapısının atomik olarak çözümlenmiş fotoğrafında çok yeni bir sarmal-anti-sarmal alan gözlemlendi. Malzemelerin mikro yapılarının gözlemlenmesiyle, yeni bilgisayar depolaması, kuantum hesaplama ve enerji depolaması için yeni ivme sağlayacak olan spin, yük, yörünge ve kafes seviyelerinde yeni faz yapıları ve fiziksel fenomenler keşfedilir. Şekil 16'ya bakın.
Şekil 162016 Cs-düzeltilmiş transmisyon elektron mikroskobu (Cs-düzeltilmiş TEM), (SrTiO3) 10 / (PbTiO3) 10 süper örgü yapısının atomik olarak çözümlenmiş fotoğrafında çok yeni bir spiral anti-spiral alanı gözlemlendi
Lityum iyon pillerin kapasitesindeki sürekli artış, yeni enerjili elektrikli araçların ve taşınabilir elektronik cihazların yaşamda yaygın olarak kullanılmasını teşvik etmiştir. Çin'de lityum iyon güç pillerinin araştırılması ve üretimi dünyanın ileri düzeyine ulaştı. 2011 yılında, LiFePO4 tek kristal nanotellerinde Cs düzeltmeli TEM ile aşamalı bir ıslanma fenomeni gözlemlendi. Bakınız Şekil 17: a. İlk LiFePO4 atomik yapısı, b. Tam olarak şarj edilmiş FePO4 atomik yapısı, c. Yarı dolu Li0.5FePO4 atomik yapısı. Mikro yapıdaki değişiklikleri doğrudan gözlemleyerek, öncekiler tarafından önerilen çeşitli mikro reaksiyon mekanizmaları hakkındaki tartışmalar çözüldü, bu da insanların lityum pillerdeki en temel reaksiyon süreçlerini anlamasına ve lityum piller üzerinde derinlemesine araştırmayı teşvik etmesine olanak tanıyor.
Şekil 17 LiFePO4 tek kristal nanotellerinde kademeli delithiation fenomeni: a. Başlangıçtaki LiFePO4 atomik yapısı, b. Tamamen delthiated FePO4 atomik yapısı, c. Yarı dolu yarı delithiated Li0.5FePO4 atomik yapısı
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) teknolojisi
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) hem ikincil elektron (SE) sinyallerini hem de geri saçılan elektron (BS) sinyallerini toplayabilir.
İkincil elektron, olay elektronu tarafından bombardımana tutulan atomun çekirdeksiz elektronudur. Ana özellikleri şunlardır:
(1) Enerji 50 eV'den azdır ve katı bir numunedeki ortalama serbest yol sadece 10-100 nm'dir. Böyle sığ bir yüzey tabakasında, gelen elektronlar ve numune atomları yalnızca sınırlı sayıda saçılma yayarlar, bu nedenle temelde yanal olarak yayılmazlar; (2) İkincil elektronların verimi, gelen ışın ile numune yüzeyinin normali arasındaki açıya büyük ölçüde bağlıdır ve geniş açılı yüzey daha fazla ikincil elektron yayar. Bu nedenle, ikincil elektron görüntüsü esas olarak numune yüzeyinin yaklaşık 10 nm'deki topografik özelliklerini yansıtır ve görüntünün kontrastı topografik kontrasttır.
Geri saçılan elektronlar, numuneden yansıyan olay elektronlarıdır.Başlıca özellikleri şunlardır: (1) 50 eV'den gelen elektrona yakın enerjiye kadar yüksek enerji, nüfuz etme yeteneği ikincil elektronlardan çok daha güçlüdür ve numuneden daha derin olabilir. Bu derinlik aralığında, gelen elektron nispeten geniş bir yanal genişlemeye sahiptir, bu nedenle numunede oluşan aralık geniştir; (2) Saçılan elektronların emisyon katsayısı atom numarası Z ile artar Geri saçılan elektronlar esas olarak numune yüzeyinin bileşim özelliklerini yansıtır, ancak çözünürlük düşüktür.
01 İkincil elektron görüntüleme
İkincil elektron (SE) sinyali, numune yüzeyinin zengin mikro yapısını ve topografik ayrıntılarını gözlemleyebilir. Şekil 18 Amerika Birleşik Devletleri'nde CDC tarafından yayınlanan SARS-CoV-2 virüsünün SEM fotoğrafı. İnsanların bu virüsü tanıması ve anlaması için bilimsel veriler sağlar.
Şekil 18 ABD CDC tarafından yayınlanan SARS-CoV-2 virüsü SEM fotoğraflarının sözde renkli görüntüsü
02 Geri saçılmış elektron (BSE) görüntüleme teknolojisi
Geri saçılmış elektron (BSE) görüntüleme, ikincil elektronlardan (esas olarak numunenin topografik özelliklerinin sinyalleri), numune içindeki element ve tane oryantasyonundaki farklılığı daha fazla karakterize edebilir. Şekil 19, aynı numune alanının SE ikincil elektron görüntülemesini gösterir. BSE geri saçılmış elektron görüntüleme ile karşılaştırma.
Şekil 19 SE sekonder elektron görüntüleme ile aynı numune alanının BSE geri saçılmış elektron görüntülemesinin karşılaştırılması
3.2 İyon demeti kaynağı altındaki mikro dünya
He iyonlarının kütlesi küçüktür, bu da işlenmemiş biyolojik örnekleri doğrudan görüntüleyebilir ve örneklerin morfolojisini daha doğru bir şekilde geri yükleyebilir. Ek olarak, He ve Ne iyon mikroskopları (HIM) SEM'lere göre daha fazla alan derinliğine, daha yüksek kontrasta ve daha yüksek görüntü kalitesine sahiptir ve piyasaya sürüldükten sonra hızla dikkat çekmiştir. 30 kV hızlanma voltajı altında He + iyonlarının de Broglie dalga boyu yaklaşık 0,08 pm'dir. Şekil 20 Aynı alandaki bakır tanecikleri incelendiğinde, iyon ışını görüntüleme bilgileri daha fazladır.
Şekil 20 Solda iyon ışını görüntüleme (FIB), sağda elektron ışını görüntüleme (SEM)
Şekil 21, bir lehim topunun yüzeyindeki altın parçacıklarının bir fotoğrafıdır. Soldaki elektron ışını görüntülemesi küçük bir alan derinliğine sahiptir ve alttaki tüm parçacıklar bulanıkken, sağdaki HIM resmi geniş bir alan derinliğine sahiptir ve tüm detaylar doğru bir şekilde odaklanmıştır.
Şekil 21 Lehim topunun yüzeyindeki altın parçacıklarının fotoğraflanması. Soldaki resim bir SEM fotoğrafı, sağdaki resim bir HIM fotoğrafı
Şekil 22, kritik nokta kurutulmuş Arap otunun FE-SEM (hızlanma voltajı 1kV'den düşük, en yüksek çözünürlük) ve HIM'inin bir karşılaştırma diyagramıdır Büyütme, soldan sağa doğru a'dan c'ye kademeli olarak büyütülmüştür. HIM'in geniş alan derinliği ve yüksek görüntü kalitesiyle açıkça tezat oluşturuyor.
Şekil 22 Kurutulmuş Arap otunun FE-SEM ve HIM etkilerinin karşılaştırılması, soldan sağa a'dan c'ye adım adım büyütme
Görüntüleme uygulamaları ile karşılaştırıldığında, galyum odaklı iyon ışını (FIB) yüksek bir iyon sayısına, örnekle güçlü bir etkileşime ve ışınlanmış numunenin soyulmasına sahiptir, bu nedenle çoğunlukla mikro işleme için kullanılır. Numunelerin üç boyutlu yeniden yapılandırma analizi, transmisyon elektron mikroskobu örneklerinin hazırlanması, entegre devrelerin incelenmesi ve onarımı, karmaşık mikro-nano yapıların işlenmesi vb.
Şekil 23 Ga + iyon ışını FIB ile TEM numunesi hazırlama işlemi (son inceltmeye yükseltilmiş)
Şekil 24 Ön uç FIB devre düzenleme, birden çok bağlantı ve kesmeyi gösteren
Halihazırda ticarileştirilen diğer iyon görüntüleme işleme ekipmanı türleri arasında iyon kaynakları olarak Xe, Ar, N ve O'yu kullanan odaklanmış iyon ışını sistemleri (plazma-FIB) bulunur.Daha güçlü kesme yeteneklerine sahiptirler ve geniş alan örneklerini aşındırabilir ve Ga İyon implantasyonunun numunelere zarar vermede bariz avantajları vardır.
3.3 Nötron ışını kaynağı altındaki mikro dünya
Nötron görüntüleme ile elektronlar ve iyonlar arasındaki en büyük fark, nötronların yüklü olmamasıdır.Nötronlar, çekirdek veya manyetik moment ile etkileşime girerek saçılırlar.Geniş kütleleri ve ışığa yakın elementlerden (H, He, Li) dolayı, Çarpışma sırasında enerji önemli ölçüde değişir ve genellikle elektron ışınlarının ve iyon ışınlarının tespitini tamamlayabilen hafif elementleri tespit etmek için kullanılır. Nötronların manyetik momenti, maddenin manyetizmasını incelemeyi mümkün kılar. Nötronların elektrik yükü yoktur ve elektromanyetik etkileşimi zayıftır, bu da penetrasyon yeteneklerini güçlü kılar. Bu nedenle, dahili tahribatsız algılama için kalın metal plakalardan geçebilir. Yukarıdaki özelliklerinden dolayı nötronların gümrük, motor kanadı imalatı, plastik patlayıcılar, hidrojen depolama malzemeleri, lityum iyon piller, protein ince yapı analizi, jeoloji, arkeoloji ve diğer alanlarda önemli uygulamaları vardır.
Nötron görüntüleme X ışınlarına benzer.Özel bir kamera, nötron sinyallerini toplar ve dağınık nötronların sayısını, enerjisini ve momentum değişikliklerini ölçer.Makroskopik görüntüleme için veya maddenin mikroyapısını ve hareket durumunu incelemek için atomik ve moleküler ölçekte kullanılabilir.
Nötron ışını kaynağının süper nüfuz etme yeteneği, çok karmaşık cihazların iç işleyişini tespit etmek için kullanılmasına izin verir. Şekil 25, nötronların güçlü nüfuz etme kabiliyetini gösteren kapalı bir kurşun tanktaki bir gülün fotoğrafıdır. 1000rpm'de çalışan dört zamanlı bir motor, 200 ms'lik bir pozlama süresiyle dinamik nötron görüntüleme gerçekleştirir. Bu teknoloji, modern endüstriyel üretimin gümrük işlemlerinde ve tahribatsız testlerinde önemli bir rol oynamıştır. Ancak lensin üretimini çok zorlaştıran süper nüfuz etme kabiliyeti ve hiçbir şarj olmaması nedeniyle ve nötron görüntülemenin mikroskobik yeteneğinin iyileştirilmesi gerekiyor. Mikrometreden nanometreye kadar hassas ölçümler için girişim üretmek için nötron dalga özelliklerinin kullanılması önerilmiştir.
Şekil 25 Nötronların güçlü nüfuz etme gücünü gösteren kurşun kutudaki güller
Şekil 26200 ms pozlama süresiyle 1000 rpm'de çalışan dört zamanlı bir motorda dinamik nötron görüntüleme gerçekleştirme
04 Görünüm
Madde dalgalarının tespit teknolojisi, insanlar için zengin ve renkli bir mikro dünyayı ortaya çıkardı.İnsanlar, bilinmeyen mikro dünya hakkındaki anlayışlarını derinleştirdikçe, bilim ve teknolojinin ilerlemesine ve insanların yaşam kalitesinin iyileştirilmesine katkıda bulunan birçok gizem çözüldü. Ancak aynı zamanda, insanların keşfetmesini bekleyen çok büyük bir bilinmeyen alan keşfedildi.
Daha hevesli gençlerin kaynağından bu araştırma alanına katılacağı, daha gelişmiş kontrol edilebilir ve ayarlanabilir malzeme dalgası ışık kaynakları geliştireceği, malzeme dalgaları ile madde arasındaki etkileşim mekanizmasını keşfedeceği ve yeni malzeme dalgası kontrol teknolojileri ve yeni geliştireceği umulmaktadır. Malzeme dalgası algılama teknolojisi, yeni malzeme dalgası görüntüleme teknolojisi. Maddi dalgaların dünyasına girelim ve evrenin kökenini ve yaşamın anlamını birlikte keşfedelim! Sessiz ve uzak, bilinmesi gereken şeyleri keşfedin!
-------------------------------------------------- -------------------------------------------------- --------------
Teşekkür: Bu makaleyi yazarken, Profesör Lin Yuan'a önerileri ve yorumları için teşekkür ederim.
Referanslar:
Williams, David B., Carter, C. Barry. Transmisyon Elektron Mikroskobu: Malzeme Bilimi için Bir Ders Kitabı. Springer, 2009
Shorubalko, I. ve diğerleri In Helium Ion Microscopy; Hlawacek, G .; Gölzhäuser, A., Eds .; Springer International Publishing, 2016
Kaito, T. in Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Springer, 2005.
https://www.world-nuclear.org/information-library/non-power-nuclear-applications/radioisotopes-research/research-reactors.aspx
https://wenku.baidu.com/view/eebbfc2afbb069dc5022aaea998fcc22bdd143f4.html
Paul, E.U., 1987. Amerika Birleşik Devletleri'nde Endüstriyel Nötron Radyografisi. In: İkinci Dünya Nötron Radyografisi Konferansı Bildirileri, Reidel Publishing Company
Ul-Hamid, A. (2018). Taramalı elektron mikroskobu için Yeni Başlayanlar Kılavuzu (s. 6). İsviçre: Springer Nature Switzerland AG
Beniac D. R., et al.SARS koronavirüs prefüzyon artışının mimarisi. Doğa yapısal ve moleküler biyoloji. 13 (2006)
Wang, N., et al. (2019). Afrika domuz ateşi virüsünün mimarisi ve viral derleme için etkileri. Science 366, 640644
A.K. Yadav, vd., Oksit üst yüzeylerinde kutup girdaplarının gözlemlenmesi, Nature, 530 (2016) 198.
Atomik çözünürlükte kısmen teneffüs edilmiş LiFePO4'te lityum evrelemesinin doğrudan gözlemi. J Am Chem Soc.2011; 133 (13): 4661
https://phil.cdc.gov/Details.aspx?pid=2871
M.G. Masteghin, M.O. Orlandi, SnO2 tabanlı varistörler için tahıl sınırı direnci ve doğrusal olmayan katsayı korelasyonu, Mater. Res. 19 (2016) 12861291
Kaito, T. in Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Springer, 2005.
https://www.nist.gov/news-events/news/2008/09/nist-studies-how-new-helium-ion-microscope-measure
M.S. Joens, et al., Nanometre altı çözünürlükte biyolojik örneklerin görüntülenmesi için Helyum İyon Mikroskobu (HIM), Sci. Rep. 3 (2013) 3514
Córdoba, R. Odaklanmış Elektron / İyon Işınından Kaynaklanan Biriktirme ile Üretilen Fonksiyonel Nanoyapılar; Springer: İsviçre, 2014
https://eag.com/zh-TW/resources/whitepapers/focused-ion-beam-fib-circuit-edit-becomes-increasingly-valuable-in-high-stakes-world-of-advanced-node-design/
Ian S. Anderson, ve diğerleri. Nötron Saçılma Uygulamaları ve Teknikleri. Springer, 2009
Fizik Enstitüsü öğretmenlerinden ve öğrencilerinden orijinal katkılar
Yazar: Meng Qi
Yorumcu: Zhang Qinghua
Enstitüdeki öğretmenler ve öğrenciler, "Fizik Enstitüsünün Çevrimiçi Ofis Platformu" aracılığıyla makale gönderebilirler! Yöntem şu şekildedir: "ofis platformu" "çalışma salonu" "Genel Ofis İşleri" "Bilim Makalesi Gönderme" şeklinde oturum açın.
Editör: Dannis
Görüntülemek için başlığa tıklayın
1. 15 yıl önce oyun dünyasını sansasyonelleştiren veba, ABD CDC'yi şok etti ve en iyi dergileri yayınladı
2. Uçak neden uçabiliyor? Bugüne kadar bilim adamlarının hala bir cevabı yok
3. Pirinç Pişirici Pastalar için Sert Bilim Rehberi: Başlamaktan Vazgeçmek
4. Evde kalırsanız vücudunuza ne olur?
5. Feynman: Fizik mi yoksa matematik öğrenmek daha mı iyi?
6. Nash: Nesneleri bilimsel olarak nasıl takip edebilirim?
7. Yumurtalar neden dövülemiyor? Çünkü köpürme prensibini iyi öğrenmedin
8. Kuru üzümler önce kurutulur ve sonra toplanır mı? Çocukluktaki şüpheleri çözen fındık işleme hattı
9. Newton salgın nedeniyle ne yaptı?
10. Neden! BEN! Yine kayboldum!
