In conventionele elektronenmicroscopen, het uitvoeren van waarnemingen met atomaire resolutie van magnetische materialen is bijzonder moeilijk omdat onvermijdelijk hoge magnetische velden worden uitgeoefend op monsters in de magnetische objectieflens. Nieuw ontwikkeld magnetisch objectieflenssysteem zorgt voor een magnetische veldvrije omgeving op de monsterpositie. Dit maakt directe, atoom-opgeloste beeldvorming van magnetische materialen zoals siliciumstaal. Deze nieuwe elektronenmicroscoop zal naar verwachting op grote schaal worden gebruikt voor het onderzoek en de ontwikkeling van geavanceerde magnetische materialen.

In het kader van het JST-SENTAN-programma (Development of System and Technology for Advanced Measurement and Analysis, Japans bureau voor wetenschap en technologie), het gezamenlijke ontwikkelingsteam van Prof. Naoya Shibata aan de Universiteit van Tokyo en JEOL Ltd., heeft een revolutionaire elektronenmicroscoop ontwikkeld met nieuw ontworpen magnetische objectieflenzen, en direct bereikt, atoom-opgeloste beeldvorming van materialen met sub-Å ruimtelijke resolutie, met een restmagnetisch veld van minder dan 0,2 mT op de monsterpositie. Voor zover wij weten, dit is de eerste keer dat een dergelijk doel is bereikt.

In de 88 jaar sinds de baanbrekende uitvinding van de transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) in 1931, onderzoekers hebben voortdurend gestreefd naar een betere ruimtelijke resolutie. Het ontwerp van magnetische objectieflenzen met kleinere lensafwijkingscoëfficiënten was noodzakelijk, en aberratiecorrigerende lenssystemen voor scanning TEM (STEM) hebben een sub-Å ruimtelijke resolutie bereikt.

Een kritisch nadeel van de huidige magnetische condensor-objectief-lenssystemen voor TEM's/STEM's met atomaire resolutie is dat de monsters moeten worden ingebracht in zeer hoge magnetische velden tot 2-3 T. Dergelijke hoge velden kunnen de beeldvorming met atomaire resolutie van veel belangrijke zachte/harde magnetische materialen, zoals siliciumstaal, omdat het sterke veld de magnetische en soms fysieke structuur van het materiaal sterk kan veranderen of zelfs vernietigen. Onlangs, de ontwikkeling van nieuwe magnetische materialen is snel gevorderd. Aangezien structurele analyse op atomaire schaal de sleutel is tot de bovengenoemde technologie, een oplossing voor dit probleem is al lang nodig.

Het gezamenlijke team heeft een nieuw objectieflenssysteem zonder magnetische velden ontwikkeld, met twee ronde lenzen in een exacte spiegelsymmetrische configuratie ten opzichte van het monstervlak. Dit nieuwe lenssysteem biedt extreem kleine resterende magnetische velden op de monsterpositie, terwijl de sterk geëxciteerde voor-/achterobjectieven dicht genoeg bij het monster worden geplaatst om de korte focuslengte te verkrijgen die onontbeerlijk is voor beeldvorming met atomaire resolutie. Bijgevolg, de resterende magnetische velden die worden gegenereerd in de buurt van het monstercentrum zijn veel <0,2 mT, dat is 10, 000 keer kleiner dan de waarde in conventionele magnetische objectieflenzen die worden gebruikt voor TEM/STEM-beeldvorming met atomaire resolutie.

Het gezamenlijke team heeft dit nieuwe systeem gebruikt om de atomaire structuur van een op korrels georiënteerde siliciumstaalplaat te observeren, wat een van de belangrijkste zachte magnetische technische materialen is. Dit blad wordt gebruikt als kernmateriaal voor elektrische transformatoren en motoren, en de karakterisering van individuele defecten met atomaire resolutie is lang gezocht. Met behulp van het nieuw ontwikkelde lenssysteem, de opgeloste atomaire structuur van het siliciumstaal werd duidelijk waargenomen, en direct, atoom-opgeloste beeldvorming in een magnetisch veld-vrije omgeving werd gerealiseerd voor elektronenmicroscopie, waardoor een ongekende structurele karakterisering op atomair niveau van magnetische materialen mogelijk is.

De nieuw ontwikkelde elektronenmicroscoop kan op dezelfde manier worden bediend als conventionele TEM's/STEM's. Verwacht wordt dat het substantieel verder onderzoek en ontwikkeling op verschillende nanotechnologiegebieden zal bevorderen.