在傳統(tǒng)電子顯微鏡中，對(duì)磁性材料進(jìn)行原子分辨率的觀察特別困難，因?yàn)楦叽艌?chǎng)不可避免地施加在磁性物鏡內(nèi)的樣品上。新開發(fā)的磁物鏡系統(tǒng)為樣品位置提供了一個(gè)無磁場(chǎng)環(huán)境。

這使得直接，原子分辨率成像的磁性材料，如硅鋼。這種新型電子顯微鏡有望廣泛應(yīng)用于先進(jìn)磁性材料的研究和開發(fā)。在日本科學(xué)技術(shù)廳JST-SENTAN項(xiàng)目下，東京大學(xué)Shibata Naoya教授和JEOL Ltd：

聯(lián)合開發(fā)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種革命性的電子顯微鏡，新型電子顯微鏡結(jié)合了新設(shè)計(jì)的磁性物鏡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的亞空間分辨率直接原子分辨率成像，在試樣位置處殘余磁場(chǎng)小于0.2 mT。據(jù)我們所知，這是第一次實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。自1931年透射電子顯微鏡(TEM)開創(chuàng)性發(fā)明以來的88年里，研究人員一直在追求更好的空間分辨率。設(shè)計(jì)小透鏡像差系數(shù)的磁性物鏡是必要的。

用于掃描TEM (STEM)像差校正透鏡系統(tǒng)已達(dá)到亞空間分辨率。目前用于原子分辨率TEMs/ stem磁凝物鏡系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵缺點(diǎn)是，樣品必須插入高達(dá)2-3 t非常高的磁場(chǎng)中。如此高的磁場(chǎng)會(huì)嚴(yán)重阻礙許多重要的軟硬磁性材料原子分辨率成像，比如硅鋼，因?yàn)閺?qiáng)磁場(chǎng)會(huì)極大地改變甚至破壞材料的磁性，有時(shí)甚至是物理結(jié)構(gòu)。近年來，新型磁性材料的發(fā)展迅速。由于原子尺度結(jié)構(gòu)分析是上述技術(shù)的關(guān)鍵，長(zhǎng)期以來一直需要解決這一問題。

聯(lián)合研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種新的無磁場(chǎng)物鏡系統(tǒng)，其中包括兩個(gè)圓形物鏡，它們的位置與樣品平面鏡像對(duì)稱。這種新透鏡系統(tǒng)在樣品位置提供極小的剩余磁場(chǎng)，同時(shí)將強(qiáng)激發(fā)的前/后物鏡放置在離樣品足夠近的位置，獲得原子分辨率成像所必需的短焦距條件。因此，樣品中心附近產(chǎn)生的殘余磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于0.2 mT，是常規(guī)原子分辨率TEM/STEM成像磁性物鏡值的1萬倍。聯(lián)合研究小組利用這個(gè)新系統(tǒng)觀察了硅鋼片的原子結(jié)構(gòu)，硅鋼片是最重要的軟磁工程材料之一。

這種薄膜被用作變壓器和電動(dòng)機(jī)的核心材料，其對(duì)單個(gè)缺陷的原子分辨率表征一直是人們所追求的。利用新開發(fā)的透鏡系統(tǒng)，清晰地觀察硅鋼的分辨原子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電子顯微鏡在無磁場(chǎng)環(huán)境下的直接原子分辨成像，實(shí)現(xiàn)了磁性材料前所未有的原子級(jí)結(jié)構(gòu)表征。新研制的電子顯微鏡操作方法與傳統(tǒng)TEMs/莖稈相同，有望促進(jìn)各種納米技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展。