Vista schematica dell'interazione tra plasma e tungsteno (a sinistra) e spiegazione della necessità di campioni di film sottile e "tecnica di scultura su scala nanometrica" per l'osservazione TEM (a destra). Attestazione:NIFS
Un team di ricerca di scienziati della fusione è riuscito a sviluppare una "tecnica di scultura su scala nanometrica" per fabbricare un film ultrasottile affilando un campione di tungsteno con un fascio di ioni focalizzato. Ciò consente l'osservazione su nanoscala di una sezione trasversale molto vicino alla superficie superiore del campione di tungsteno utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione. La tecnica di scultura sviluppata da questa ricerca può essere applicata non solo al tungsteno ma anche ad altri materiali duri.
Materiali temprati come metalli, carbonio e ceramica sono usati nelle automobili, aerei ed edifici. In uno studio su un reattore a fusione, tungsteno, che è uno dei materiali metallici più duri, è il candidato più probabile per il materiale dell'armatura del dispositivo che riceve il carico di calore/particelle del plasma. Questo dispositivo è chiamato divertore. In tutti i materiali induriti, danni o difetti su scala nanometrica possono formarsi molto vicino alla superficie superiore dei materiali. Per prevedere la durata del materiale, è necessario conoscere i tipi di danneggiamento ei loro profili di profondità in un materiale. Per fare questo, dobbiamo osservare una sezione trasversale della regione molto vicino alla superficie superiore del materiale a livello di nanoscala.
Per l'osservazione della struttura interna dei materiali a livello di nanoscala, microscopio elettronico a trasmissione (TEM), in cui gli elettroni accelerati vengono trasmessi attraverso i materiali bersaglio, è comunemente usato come un potente strumento. Per osservare una sezione trasversale molto vicino alla superficie superiore del tungsteno con TEM, estraiamo prima un pezzettino del campione di tungsteno dalla sua superficie e poi fabbrichiamo un film ultrasottile tagliando il campione estratto. Lo spessore del film deve essere inferiore a ~100 nm per ottenere un'alta risoluzione a causa dell'elevata trasmissione del fascio di elettroni. Però, è stato estremamente difficile fabbricare un film così sottile per materiali duri come il tungsteno. Perciò, è stato quasi impossibile ottenere il livello di spessore di ~100 nm utilizzando tecniche convenzionali di fabbricazione di film sottili.
Procedure di fabbricazione della "tecnica della scultura su nanoscala" utilizzando un dispositivo a fascio ionico focalizzato - fascio di elettroni (FIB-SEM). La serie superiore mostra la vista schematica della fabbricazione mediante fascio di ioni Ga. Le immagini di (1) e (4) nella serie inferiore sono l'immagine al microscopio elettronico (SEM) corrispondente all'immagine (1) e all'immagine (4) nella serie superiore. La regione mostrata dal rettangolo giallo nell'immagine (4) è adatta per l'osservazione TEM. Attestazione:NIFS
Il team di ricerca del Dr. Masayuki Tokitani e Daisuke Nagata et al del National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) ha sviluppato una tecnica di fabbricazione su nanoscala superiore per il tungsteno, utilizzando un dispositivo a fascio di elettroni focalizzato (FIB-SEM). Chiamano questa tecnica la "tecnica di scultura su scala nanometrica". Il dispositivo FIB-SEM ci consente di tagliare i materiali irradiandoli con un fascio di ioni Ga focalizzato di ~ 30 nm di diametro. Il team di ricerca ha precedentemente provato a fabbricare un film ultrasottile affilando un piccolo pezzo di tungsteno con FIB-SEM. Però, hanno avuto il problema che la superficie più alta è stata purtroppo persa perché l'intensità del raggio doveva essere relativamente forte per il tungsteno duro. Risolvere questo problema, ora hanno prodotto una speciale operazione del raggio Ga per mantenere la superficie più alta regolando le posizioni e le direzioni di irradiazione del raggio. Inoltre affinano gradualmente la regione vicino alla superficie, creando una forma che si assottiglia verso il basso. Di conseguenza, ottengono un film ultrasottile con uno spessore di ~100 nm o meno e con la superficie superiore che rimane intatta.
Nell'immagine ottenuta dall'osservazione TEM del film ultrasottile fabbricato, possiamo identificare chiaramente il danno a livello atomico formato vicino alla superficie superiore del campione di tungsteno. Così, la "tecnica di scultura su scala nanometrica" sviluppata da questo gruppo di ricerca consente di osservare una sezione trasversale vicino alla superficie superiore del campione di tungsteno su scala atomica. Questa tecnica di scultura può essere applicata non solo al tungsteno ma anche ad altri materiali duri come le leghe temprate e la ceramica. Attualmente, stiamo considerando questa tecnica di scultura per l'applicazione nell'industria automobilistica.
Immagine TEM in sezione trasversale di tungsteno esposto al plasma di elio. Il campione TEM a film ultrasottile è stato fabbricato con "la tecnica della scultura su nanoscala". Le immagini luminose di forma sferica corrispondono a danni su scala nanometrica chiamati bolle di elio. La superficie superiore del campione di tungsteno rimane. Attestazione:NIFS