재료 과학의 발전을 촉진하는 초고해상도 전자 현미경

인터뷰 01

이쿠하라 유이치 교수
도쿄대학 공학부 공학혁신연구소

경험과 직관에 기반한 생산에서 이론과 증거에 기반한 합리적인 생산으로의 전환.
JEOL 초고해상도 전자현미경은 재료과학의 큰 발전을 지원합니다.

입자 경계 탐색

금속 및 세라믹과 같은 산업 재료는 많은 작은 결정 입자로 구성된 다결정 구조를 가지고 있습니다. 결정자 사이의 경계면을 입계라고 합니다. 결정립계는 재료의 특성을 결정하는 역할을 하며 최근 많은 관심을 받고 있는 분야입니다.
“결정 표면, 계면, 전위, 원자 공극과 같은 비주기적 구조는 고유한 전자 구조를 가지고 있습니다. 이것들은 완벽한 수정에서 발견되지 않는 기능의 원천입니다. 우리가 결정립계의 원자 및 전자 구조와 기능 메커니즘을 명확히 할 수 있다면 산업계에 큰 영향을 미치고 새로운 기능을 가진 소재 개발에 기여할 것”이라고 말했다.
도쿄대학 공학부 공학혁신연구소의 이쿠하라 유이치(Yuichi Ikuhara) 교수는 이렇게 말합니다. 대학원생 때부터 원자 수준의 결정립계를 연구해 왔으며, 전자현미경을 이용한 관찰과 측정에 중점을 두고 연구를 계속하고 있습니다.

재료 공학의 패러다임 변화

주사 투과 전자 현미경(STEM)을 위한 구면 수차 보정의 출현은 이 연구 분야에서 중요한 돌파구였습니다. 원형 전자렌즈의 특성상 전자렌즈에서 피할 수 없는 흐릿함(구면수차)이 있습니다. 그러나 다극 렌즈에서 발생하는 축대칭이 아닌 자기장을 활용하면 이러한 흐릿함을 크게 제거할 수 있어 옹스트롬 수준에서 물체를 직접 초고해상도로 관찰할 수 있습니다. 이 방법의 이면에 있는 이론은 오래전부터 알려져 있었지만 실제 구현은 어려웠습니다. 90년대 후반부터 이를 달성하기 위한 기술이 실현되었으며 연구 커뮤니티에서 기쁘게 환영합니다.
Ikuhara 교수는 그러한 연구원 중 한 명이었습니다.
“재료가 특정 기능을 갖는 이유를 파악하는 것은 이제 원자 수준에서 설명될 수 있습니다. 이것은 아마도 재료 과학의 역사에서 가장 중요한 패러다임 변화 중 하나일 것입니다.”
예를 들어, 소량의 희토류 이트륨을 알루미나(산화알루미늄)에 첨가하면 강도가 크게 증가하는 것으로 알려져 있지만 이것이 발생하는 이유에 대해서는 완전히 설명되지 않았습니다. Ikuhara 교수는 구면 수차 보정을 통합한 최초의 일본 상용 STEM 시스템 중 하나를 도입했습니다. 그는 이 기기를 사용하여 이트륨을 첨가하기 전과 후에 알루미나 계면을 관찰하고 비교했습니다. 이를 통해 이트륨 원자가 알루미나 결정립계의 특정 부위에 주기적으로 위치하며 알루미나 이온결합이 공유결합으로 바뀌는 것을 확인했다. 이 발견은 2006년 Science 저널에 발표되었습니다. 그 이후로 구면 수차 보정의 힘은 꾸준한 발견의 연속으로 범위에 걸쳐 활용되었습니다.
이쿠하라 교수는 주로 네이처(Nature) 및 사이언스(Science)와 같은 저널에 게재된 간행물을 통해 원자 수준에서 결정립계를 분석한 중요한 결과를 계속해서 발표했습니다. 2010년 그의 업적은 Humboldt Research Award(독일)로 인정받았습니다. 2013년에는 문부과학성 장관으로부터 과학기술인 표창을 받았다.
최근에는 세라믹 결정계면을 형성하는 결함구조 및 전위에 대한 연구가 진행되고 있다. 슈퍼 컴퓨터는 기존 재료에서 볼 수 없는 결함 구조를 가진 세라믹을 설계하기 위해 이론적 계산을 수행하는 데 사용됩니다. 구면수차 보정 기능이 있는 STEM을 사용하여 이러한 결함 구조를 관찰함으로써 구조가 이론적 예측과 일치하는지 확인할 수 있습니다.
이쿠하라 교수는 “직관과 시행착오를 바탕으로 소재를 개발하는 기존의 접근 방식과 정반대다. 격자 결함의 구조를 인위적으로 제어하는 ​​계산과 관찰을 통한 합리적인 방법은 재료 과학의 미래 발전을 확실히 가속화할 것입니다.”

수소 원자의 초고해상도 관찰

Ikuhara 교수의 연구실에는 JEOL에서 제조한 세계 최초의 초고해상도 전자현미경 GRAND ARM이 있습니다. 최대 가속 전압 300kV의 표준 구성에서 냉음극 전계 방출 전자총을 장착하고 최신 버전의 JEOL 자체 구면 수차 보정기를 통합한 GRAND ARM은 45pm의 STEM 분해능이 가능합니다.※.
이쿠하라 교수가 찬성의 목소리를 낸다.
“수소나 리튬과 같은 가벼운 원소도 가까이 있어도 자세히 관찰할 수 있습니다. 이제 해상도가 충분하다고 말할 수도 있습니다.”

[110] 방향의 산화티타늄 결정의 HAADF-STEM 이미지(왼쪽) 및 ABF-STEM 이미지(오른쪽)(GRAND ARM으로 획득).
ABF-STEM 이미지에서 인접한 산소 원자 기둥을 별도로 관찰 가능

그는 또한 휴먼 인터페이스의 유용성과 큰 표본 기울기 각도에 감사합니다. “JEOL의 전자현미경 그룹에는 재료 과학을 전공한 많은 엔지니어들이 있습니다. 사용자 관점에서 도구를 개발하는 것이 뛰어난 사용성을 낳는 것입니다.”

• JEOL 보장금액: 오후 63시

산학협력을 통한 혁신

이러한 발전의 이면에는 산학연 협력을 통해 달성된 보다 효율적인 연구 개발 시스템이 있습니다.
도쿄대학과 JEOL은 2005년부터 산학협력실을 운영하고 있다. GRAND ARM을 포함하여 XNUMX개 이상의 JEOL 전자 현미경이 도쿄 대학 시설에 설치되어 도쿄 대학 공학부 공학 혁신 연구소의 연구를 지원합니다. 이러한 기기를 사용하는 재료 과학자의 피드백은 제품 설계에 빠르게 통합되어 지난 몇 년 동안 급속한 발전에 기여했습니다.
“산학협력단 GRAND ARM을 보기 위해 해외에서 많은 방문객들이 찾아오고 있어 그 영향력에 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 관찰 방법과 얻은 결과를 전 세계에 전파하면 제조의 모든 영역에서 극적인 변화가 발생할 수도 있습니다.”
STEM의 진화에는 아직 더 많은 발전이 있습니다.

게시일: 2014년 XNUMX월