【材料科技】即時影像觀測──穿透式電子顯微鏡的應用

■微結構變化是材料科學研究的一大重點,可以即時監控反應時的變化將讓我們能更深入了解材料的本質。

By Cm the p at en.wikipedia (Transferred from en.wikipedia) [Public domain], from Wikimedia Commons
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撰文|方程毅

一般認知中,材料展現的行為取決於其組成原子或其形成的化合物。但,就算是相同化學式,也會因為原子排列方式的差異而展現截然不同的性質,原子排列方式不同便稱為不同的「相」(phase)。在材料科學家手中,最能看清材料成分及相的武器稱為穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,縮寫TEM)。

大家應該都有在國中時利用光學顯微鏡觀察細胞的經驗,光源從下面打上來,穿過細胞,再經由物鏡目鏡進入觀察者眼睛,就能看到細胞長什麼樣子。穿透式電子顯微鏡的原理也差不多,只是成像的媒介由光子改成電子,接收訊號端從眼睛改成偵測器,再將結果秀在螢幕上。這樣的成像機制可以讓我們看到奈米等級的微結構,材料的高矮胖瘦無不盡收眼底。電子束之所以能看到比光更小的結構是因為其物質波波長很短( \ 10^{-12} m ),光波大約 \ 10^{-7} m ,波長越短能看到的結構越小。但是如果電子顯微鏡只有這種能耐,充其量也只不過是台超高倍率放大鏡而已,它的厲害在於能夠得知材料組成成分及相。

如何了解組成成分是透過每一種原子自己的能階,當電子束打在材料上時,由於激發不同材料各自的能階,入射電子束會有能量損失,藉由偵測電子束能量損失,我們便能反推該材料所含有的原子種類。其專業術語為電子能量損失譜(Electron energy loss spectroscopy,縮寫EELS)。

至於觀察相的差異則是要用繞射技術(diffraction),材料具有不同的相代表原子排列方式不同(例如體心立方堆積、六方最密堆積),不同排列方式會有不同的對稱性,當電子束穿過材料時,原子跟原子間的距離就好像狹縫,電子束就跟光束一樣會有繞射行為。中學物理學狹縫干涉時,干涉出來的條紋取決於狹縫間的距離;電子經過層層堆疊的原子就好像經過狹縫一樣,原子堆疊方式的不同,繞射出來的圖形便不同,利用繞射圖形(如圖所示)便可以反推原子結構,這在材料科學領域是相當重要的學門。而穿透式電子顯微鏡厲害的地方是電子束可以聚焦奈米等級,若是奈米尺度下開始有不同的相生成,便可以觀測出來。

既然材料的高矮胖瘦、組成成分及相我們都能透過電子顯微鏡知道,豈不是天下太平了嗎?

當然沒那麼簡單!

穿透式電子顯微鏡必須在真空下工作,否則電子束遇到空氣分子便會散射。因此只能觀察材料當下的狀況,假設A材料要進行XX反應,我們只能反應前放進電子顯微鏡觀察;拿出來反應後再放回電子顯微鏡觀察。我們看到的只有頭跟尾,是靜態的結果,卻無法知悉反應時到底發生什麼事。但近來漸漸發展出可以做即時影像觀測的穿透式電子顯微鏡,稱為In-situ TEM,讓科學家能夠看到動態的變化。

北京大學及中國科學院的學者便利用這項技術即時監控氧化鎢( \ WO_{3} )與鋰作用生成 \ LixWO_{3} (反應式: \ WO_{3}+xL i^{+}+x e^{-} \longrightarrow Lix WO_{3} )整個過程的相變化。( \ WO_{3} )從單斜晶系(monoclinic)轉變成 \ LixWO_{3} 立方晶系(cubic)的整個過程。這項研究被發表在Applied Physics Letters期刊上。論文作者之一白雪冬博士表示:「過去15年來我們一直致力於研發能即時監控的穿透式電子顯微鏡。因此在奈米尺度下材料的物理變化,包括光學或電學便可以在電子顯微鏡下被觀察。」

即時影像觀測的穿透式電子顯微鏡對於了解固態材料的本質及反應變化相當重要,以往的技術只知道反應前或反應後發生什麼事,但如果在反應中間的過度產物也能被解讀出來,在應用端或製程端都有助於解決許多謎團,這讓材料反應變化不再是個「黑盒子」。但縱使如此,穿透式電子顯微鏡還是有許多先天限制:因為是「穿透式」,所以試片必須輕薄短小(厚度只有奈米等級),讓電子能夠穿透材料;其工作環境也必須在真空下進行,也因此塊材或是會產生液態氣態反應的物質依然無法用這項技術解析,但就算有諸多限制,即時監控式電子顯微鏡的成熟依舊可以為科學界帶來許多新發現。

這個儀器的例子也是在說明一個道理:若有人宣稱他發明了一種工具可以解決某一個領域內的所有問題,千萬不要相信他,這人不是江湖郎中就是半瓶醋。

又或是他是從未來穿越時空回到現在的吧......

 

參考資料:

  1. In-situ TEM imaging of formation and evolution of LixWO3 during lithiation of WO3 nanowires, Kuo Qi, Xiaomin Li, Qianming Huang, Jiake Wei,AA Zhi Xu, Wenlong Wang, Xuedong Bai and Enge Wang, Applied Physics Letters , June 7, 2016. DOI: 10.1063/1.4950968
  2. Phys.Org:Transmission electron microscope technique reveals atomic movements useful for next-generation devices

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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