アメリカは最近、カスタム電子顕微鏡を設置しました。この装置は、将来のバッテリー技術、半導体、量子計算、そして先進材料の研究を変える可能性を秘めています。この革命的な走査透過電子顕微鏡は、アメリカ合衆国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所（BNL）機能性ナノ材料センター（CFN）に設置されました。そのフィルタリングシステムは独特で、現在の顕微鏡よりも200倍高いエネルギー分解能を達成できます。この器具は、同施設のために特別に設計されており、研究チームが材料の原子構造、化学組成、電子挙動を比類のない詳細で分析し、これら三者を同時に評価することを可能にします。
科学者によれば、この顕微鏡は電子顕微鏡技術と強力なシンクロトロンX線施設との間の長年のギャップを埋めるものです。ブルックヘブン国立研究所の上級物理学者であり、先進電子顕微鏡およびナノ構造と構造欠陥グループの責任者である朱怡梅（Yimei Zhu）博士は、「私たちは確かに現在の顕微鏡器具の限界を進展させました。」と述べています。BNLは、この器具が四つの主要な技術的進歩をもたらしたことを明らかにしました。その中の一つの際立った特徴は、二つの二次電子検出器を備えており、原子の詳細でサンプルの上下表面を同時にイメージングできることです。
この能力は、触媒研究にとって特に重要です。なぜなら、触媒はエネルギー変換と貯蔵プロセスにおける化学反応を駆動するため、運用中に表面がどのように変化するかを理解することが、より効率的なバッテリー、燃料電池、その他のクリーンエネルギー技術の設計に役立つからです。
新型電子顕微鏡が材料科学の突破を推進
CFN電子顕微鏡グループの責任者である楊茱蒂（Judith Yang）博士は、「この装置を利用することで、反応前後の触媒の両側面を検査し、その構造変化とこれらの変化が化学特性にどのように影響するかをより包括的に理解することができます。」と述べています。さらに、この顕微鏡は電子エネルギー損失スペクトロスコピー（EELS）の機能を強化しており、この方法は電子が材料を通過する際のエネルギー損失を測定します。顕微鏡はまた、再設計された光学システムを備えており、その測定可能なエネルギー範囲は五倍以上に拡張されています。科学者はこれらの測定を利用して、酸化状態や化学結合を分析することができ、例えばバッテリー材料が充放電時にどのように変化するかを調べることができます。
顕微鏡のエネルギーフィルタリングシステムは、もう一つの重要な進歩であり、現在の電子顕微鏡よりも200倍高いエネルギー分解能を提供します。この改良により、モーメント解析EELSが可能になり、チームはフォノン、マグノン、プラズモンなどの準粒子や、材料の熱伝導、磁場への反応、電力および光との相互作用に影響を与える電子励起を評価することができます。この器具はまた、20キロ電子ボルト（keV）という低電圧で動作でき、これはほとんどの電子顕微鏡の100から300 keVの範囲を下回り、非常に脆弱な材料への損傷を減少させ、原子レベルのイメージング品質を維持します。特に一層または数層の原子からなる2D量子材料の研究に適しています。
朱博士はこの顕微鏡の価値を強調しました。「低電圧の電子は、より高い散乱能力を持つだけでなく、敏感な材料への損傷を最小限に抑えることができます。」と彼女はプレスリリースで指摘しました。このシステムのPythonベースのソフトウェアはリモート操作をサポートしており、将来的には自律的で機械学習支援の顕微鏡操作を可能にし、実験をより効率的にするかもしれません。この顕微鏡には、すぐに二台目の新しい電子顕微鏡が加わる予定です。韓国の東国大学の副教授である黄秀妍（Sooyeon Hwang）博士は、「この器具は全く新しい実験の扉を開き、CFNが以前は手が届かなかった科学問題を解決できるようにします。私たちはユーザーが何を発見するかを楽しみにしています。」と述べています。
項目 規格 電圧範囲 20 keV エネルギー分解能の向上 200 倍