- 美國安裝新電子顯微鏡，提升電池與半導體研究解析度。
- 顯微鏡填補了電子顯微鏡技術與同步輻射之間的空白。
- 新技術可促進催化劑研究，助於設計高效清潔能源技術。
- 低電壓操作減少對敏感材料的損害，維持成像質量。
美國近日安裝了一台定製的電子顯微鏡，該設備有潛力改變未來電池技術、半導體、量子計算及先進材料的研究。這台革命性的掃描透射電子顯微鏡安裝於美國能源部的布魯克海文國家實驗室（BNL）功能性奈米材料中心（CFN）。其過濾系統獨特，能達到比目前顯微鏡高出 200 倍的能量解析度。此儀器是專為該設施量身定製，將允許研究團隊以無與倫比的細節分析材料的原子結構、化學組成及電子行為，並且能同時評估這三者。
新顯微鏡技術的突破
根據科學家的説法，這台顯微鏡填補了電子顯微鏡技術與強力同步輻射 X 射線設施之間的長期空白。布魯克海文國家實驗室高級物理學家及先進電子顯微鏡和奈米結構與結構缺陷小組的負責人朱怡梅（Yimei Zhu）博士表示：「我們確實推進了當前顯微鏡儀器的極限。」BNL 透露，該儀器帶來了四項主要技術進步。其中一個突出特徵是配備了一對次級電子檢測器，能夠同時以原子細節成像樣品的上下表面。
這一能力對於催化劑研究特別重要，因為催化劑驅動能源轉換和儲存過程中的化學反應，因此理解它們在運行過程中表面如何變化，有助於設計更高效的電池、燃料電池及其他清潔能源技術。
促進催化劑研究的能力
CFN 電子顯微鏡小組負責人楊茱蒂（Judith Yang）博士表示：「利用這一設備，我們能夠在反應前後檢查催化劑的兩個側面，以獲得對其結構變化及這些變化如何影響其化學性能的更全面理解。」此外，這台顯微鏡增強了電子能量損失光譜（EELS）的功能，該方法測量電子通過材料時的能量損失。顯微鏡還擁有重新設計的光學系統，使其可測量的能量範圍延伸超過五倍。科學家可以利用這些測量來分析氧化態及化學鍵合，例如電池材料在充放電時如何變化。
顯微鏡的能量過濾系統是另一項重大突破，能提供比當前電子顯微鏡高 200 倍的能量解析度。這一改進使得動量解析 EELS 成為可能，這意味著團隊可以評估如聲子、磁子、等離子體等準粒子，以及其他影響材料導熱、對磁場的反應及與電力和光的相互作用的電子激發。這台儀器還能在低至 20 千電子伏特（keV）的電壓下運行，這低於大多數電子顯微鏡的 100 至 300 keV 範圍，從而減少對極其脆弱材料的損害，並維持原子級的成像質量，特別適合研究只有一層或幾層原子的 2D 量子材料。
朱博士強調了這台顯微鏡的價值。「低電壓電子不僅具有更高的散射能力，還能最小化對敏感材料的損害，」她在新聞稿中指出。該系統的 Python 基礎軟件支持遠程操作，未來可能導致自主的、機器學習輔助的顯微鏡操作，使實驗更為高效。該顯微鏡將很快迎來第二台新電子顯微鏡的加入。來自南韓東國大學的副教授黃秀妍（Sooyeon Hwang）博士表示：「這台儀器為全新的實驗打開了大門，它將使 CFN 能夠解決以前無法觸及的科學問題，我們期待用户將發現什麼。」
項目 規格 電壓範圍 20 keV 能量解析度提升 200 倍
新顯微鏡對未來研究的影響
這台新安裝的電子顯微鏡代表了顯微技術的一次重大進步，特別是在電池和半導體的研究領域。隨著能量解析度的顯著提升，研究人員將能更精確地分析材料的原子結構和化學行為，這對於催化劑的設計和清潔能源技術的發展至關重要。此外，低電壓操作的特性使得對脆弱材料的研究變得可行，這將推動科學界對二維材料及其他新型材料的探索，開啟新的研究方向。