专访 01: 超高分辨率电子显微镜加速材料科学的发展

东京大学研究生院工学系研究科综合研究机构  几原雄一 教授

探索晶界

金属或陶瓷等工业材料，很多是由大量的小晶粒聚集形成的多晶结构。晶粒与晶粒之间的结合处称之为晶界，它对材料的性质起着决定性的作用，近年来引起了人们的极大关注。

“在晶体表面、界面、位错、原子空位等晶格失配局域中，通常有周期性的破坏，并具有独特的电子结构，这是未在完整晶体中看到，是功能发现的起点。如果能够阐明晶界的原子结构、电子结构和功能发现的机制，相信这将对新功能材料开发及产业界带来一个很大的蝴蝶效应。” 说以上这番话的是东京大学研究生院工学系研究科综合研究机构的几原雄一教授，从研究生时代开始，几原教授就致力于原子尺度的晶界解释，重视电子显微镜实测的研究持续至今。

材料工程的范式转换

这一研究领域的重大突破是扫描透射 (STEM) 球差校正器技术的出现。电子显微镜由于结构上的原因，电子透镜获得的图像边缘不可避免地存在着模糊 (球差) ，然而利用线圈产生的磁场聚焦电子束，可以在很大程度上减少球差，实现直接观察埃级以下的超高分辨率，虽然这是自古以来理论上早已众所周知的方法，但要实现确是非常困难。到90年代后期，球差校正技术的成果不断发表，给业界人士带来震惊和喜悦。几原教授就是其中之一。
“能够在原子水平上阐明材料为什么具有那样的功能，这可以说是材料工程史上Z重大的范式转换之一”。例如，人们都知道给氧化铝 (铝氧化物) 加入少量的钇稀土，能大大提高强度，但为什么会发生这种现象却从来没有得到解释，几原教授Zxian引入了日本首台配有球差校正器的STEM，并利用该装置对加入钇前后的氧化铝界面进行了比较观察。发现钇原子周期性地进入氧化铝晶界的特异位置，使氧化铝的离子键变成共价键，该变化得到了证实。这一发现刊登在2006年的<<科学>>杂志上，此后，球差校正技术展还被利用于各种发现。
在此之后几原教授主要在<<科学>>、<<自然>>等杂志上陆续发表了原子水平上解析晶界的结果。2010年，几原教授的功绩得到公认，获德国洪堡研究奖，2013年又荣获日本文部科学大臣奖。近年来，几原教授对陶瓷晶体界面中形成的原子排列缺陷结构 (位错) 研究取得了进展，用超级计算机计算理论，设计出了以往的材料所没有的带有缺陷结构的陶瓷，然后用球差校正STEM观察缺陷结构，确认它是否符合理论的预测。“这是和传统的凭直觉和经验积累的材料开发完全相反的研究方法。通过按照计算和观察获得的合理方法来人为地控制晶格的缺陷结构，必将加快材料学在未来发展”。几原教授的眼中闪闪发光。

能在超高分辨率下观察氢原子

几原教授的研究室安装着世界首台日本电子的超高分辨率电子显微镜“GRAND ARM”，它标配了冷场发射电子枪，Z高加速电压为300kV，配备日本电子独立开发的Zxin式的球差校正器，傲人的STEM分辨率可达到45pm*。“即使象氢或锂这样的轻元素也能详细地观察到它们靠近的部分，说明分辨率已经足够。” 几原教授十分肯定地说。

二氧化钛晶体沿[110]方向的 (左) HAADF-STEM像、(右) ABF-STEM像 (GRAND ARM摄影) ABF-STEM像可以观察到相邻氧原子列的分离。

硅的原子结构

此外，几原教授还对操作感觉良好的控制器和有着保证值以上余地的样品倾斜角等给予了高度的评价。“日本电子的电子显微镜部门有好几位从事材料科学的工程师，从用户的视角不断地研发，仪器操作就会得心应手。”几原教授如是说。*制造商的保证值为63pm

产学联合完成的革新

发展的背景是产学联合的GX率研发体制。
从2005年以来，东京大学和日本电子株式会社共同成立了“日本电子—东京大学产学联合实验室”。日本电子制造的GRAND ARM等十多台电子显微镜在东京大学落户，支持着东京大学研究生院工学系研究科综合研究机构的研究，随时倾听用户—材料科学家们的意见，并迅速反应到产品的设计上，这是近几年来进步显著的直接原因。“联合实验室有来自世界各国的众多参观者，GRAND ARM令人印象深刻，备受瞩目。如果将这里产生的成果或观察方法推广到世界上，将会引发所有制造行业的巨大变革。” STEM的进步令人充满了期待。