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国家: 德国

利用可控气氛下电子探针成像技术对石墨烯及二维纳米材料的精确操控 [私信管理员]
标签:
新科技
适用领域:
其它  
合作方式:
技术服务 技术许可 技术融资
项目来源:
Arkmid
项目成果

本人博士期间开发的可控气氛下原位实时表面形貌追踪技术:扫描电子成像技术允许在一定气氛下对样品微区成像,因此环境扫描电子显微镜(Environmental scanning electron microscope, 以下简称为环扫显微镜)可以被改装并应用于可控气氛下实时观测反应中样品表面动态过程。基于该特点环扫显微镜为催化与材料科学以及新型微电子器件的研究提供了一种原位手段。环扫显微镜可以在宽泛的成像倍率下(纳米至微米尺度下)实现实时观测样品在高温低压条件(太空环境)下的变化、多项催化反应过程中催化剂表面的变化、二维纳米材料CVD生长过程、单晶金属合金的生长、电池电极在工作状态下的形貌变化。因此,环境扫描电子显微镜上述相关领域提供直观准确的实时动态信息。在优化实验条件、提高工作效率、探索机理等方面具有不可被替代的作用。近年来随着原位电子显微镜技术的发展以及二维功能纳米材料的成熟,对催化的研究逐渐逼近对催化本质的探索。表面科学是研究催化的基础,因此在纳米尺度下实时观测催化剂表面在反应过程中的动态变化,为研究人员所渴望。当前低能电子显微镜(LOW energy electron microscope)为主流原位观测表面形貌的手段。然而受电子成像方式与入射电子束能量的制约,低能电子显微镜只能实现高真空环境下观测,对于一定气氛下的真实催化过程无法捕捉。此外低能电子显微镜对样品表面要求较高,一般需要单晶样品。环扫显微镜主要用于对生物样品或特殊样品的常规表征,可实现特定气氛下观测。因此环扫显微镜可改装为在可控环境气氛下工作的实时表面形貌观测仪器。

近期报道了基于改装环扫显微镜可实现在1000℃下,在接近融化液态的铜表面实现了纳米尺度下对单层石墨烯生长行为的观测(图1)。这里需要指出在该温度下铜表面受着剧烈升华(表面原子逃逸)。在如此剧烈的条件下仍能实现对原子厚度二维材料生长的动态观测表明,环境扫描电子显微技术可作为一种表面观测技术。

项目前景

如前所述除催化领域外,环扫显微镜在材料与新型微电子器件领域有着广泛的应用前景。特别是针对单晶高温合金(内外涵道发动机叶片)的生长有着极其重要的指导意义。如在特定气氛下退火过程中镍基高温合金表面的晶界迁移行为。由于环扫显微镜可提供宽泛的实时观测环境(高温、可控气氛),故该技术可以精确高效地摸索出单晶高温合金制备的最佳条件。配合背散射电子探头、高分子辨透射影像和X射线元素分析,可以精确的给出单晶高温合金去合金化行为,为探索高温合金的工作极限条件提供精细定量的数据支持。因此该设备有望为困扰我国多年的航空发动机技术提供可靠的技术支撑。

此外环扫显微镜还可模拟太空环境(高温、低温、高真空度),为探索卫星芯片在极端太空环境下所遇到的微观金属迁移问题提供了新的观测手段。

综上所述,环境扫描电子显微镜是一种应用广泛的表面实时观测设备。凭借该设备可为催化与材料领域的研究提供精准的微观实时影像信息,为了解问题的本质提供了有力的技术支撑。

项目进度

中试阶段
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