Atomitomografia näkee metalli- tai puolijohdenäytteistä kirjaimellisesti yksittäisiä atomeja. Sijainnin lisäksi 3d-kartalle piirtyy, mitä alkuainetta ja isotooppia mikä atomi on. Oulun yliopisto hankki hiljattain Suomen ensimmäisen apt-mikroskoopin.
Oulun yliopisto on hankkinut uuden äärimmäisen tarkan materiaalitutkimuksen mittalaitteen, atomitomografiamikroskoopin (apt, engl. atom probe tomography). Sitä käytetään erityisesti metallien ja puolijohteiden atomi- ja nanorakenteen kuvantamiseen ja samanaikaiseen koostumusanalyysiin.
Apt-mittauksessa muodostetaan näytteistä kolmiulotteinen kartta 0,1–0,3 nanometrin tarkkuudella. Se vastaa noin yhtä atomin läpimittaa.
Koje on laatuaan ensimmäinen Suomessa, ja ylipäätään kaupallisia apt-laitteita on ollut maailmassa saatavilla vasta noin 20 vuoden ajan. Näin kertoo laboratorioinsinööri Santtu Heinilehto.
Hän työskentelee Oulun yliopiston Materiaalianalyysikeskuksessa.
Heinilehto kuvailee apt-mikroskopian tarkkuuden mullistaneen materiaalitieteen tutkimusta maailmalla. Menetelmiä, jotka näkevät yksittäisiä atomeja, on olemassa vain muutamia. Vielä harvemmilla nähdään näin tarkasti myös pinnan alle.
”Apt on ainoa menetelmä, joka kykenee havaitsemaan kaikki alkuaineet, erottelemaan niiden isotoopit ja määrittämään havaittujen atomien tarkan keskinäisen sijainnin kiinteässä materiaalissa”, Heinilehto kertoo.
Palvelee myös soveltavaa tutkimusta
Uusi mittalaite palvelee sekä perustutkimusta että yritysten soveltavaa tutkimusta, joskaan se ei syrjäytä varsinaisia rutiinianalyysejä vaan täydentää olemassa olevia menetelmiä.
Laite maksoi hieman yli kaksi miljoonaa euroa. Hankintaan osallistuivat yliopiston lisäksi teräsvalmistaja SSAB, puolijohdetehdas Okmetic sekä elektroniikka-alalta Nokia ja Detection Technology. Myös belgialainen kemian ja materiaalitekniikan yhtiö Umicore, joka Suomessa valmistaa akkukemikaaleja, on mukana.
Erittäin tarkkoja atomikarttoja tarvitaan muun muassa, kun kehitetään uusia teräslaatuja – esimerkiksi erikoislujia teräksiä ja erilaisia vedyllä pelkistettyjä ”vihreitä” teräksiä.
”Siinä tarvitaan valtavat määrät materiaalisuunnittelua, eikä tällaisia analyysejä voida tehdä millään muulla menetelmällä”, Heinilehto toteaa.
Muina apt:n käyttökohteina Heinilehto luettelee niin sanotut korkean entropian metalliseokset, puolijohteiden materiaalisuunnittelun, kemian teollisuuden katalyytit ja mineraalien rakennetutkimuksen.
Kaksiulotteinen spektrometri
Atomitomografia on saanut nimensä väljästi sen mukaan, miten menetelmä toimii.
Tutkittavana kappaleena toimii joidenkin mikrometrien pituinen, kärjestään noin 50 nanometrin terävyyteen teroitettu neula. Se on valmistettu varsinaisesta näytteestä ionitäsmäsuihkulla (fib, focused ion beam), mikä tarkoittaa materiaalin uurtamista kohdennetulla ionipommituksella. Metalliset näytteet voidaan vaihtoehtoisesti valmistaa elektrolyyttisesti kiillottaen.
Mittausvaiheessa tämä neula suljetaan kammioon, jossa vallitsee enintään 0,5 nanopascalin paine eli ainakin 99,999999 999999 5-prosenttinen tyhjiö. Sitten neulaan viritetään noin 3–10 kV tasasähköjännite, käyttöinsinööri Markus Riihimäki esittelee.
Jännitteisestä neulasta aletaan sen jälkeen irrottaa energiapulssien avulla atomeja positiivisesti varautuneina ioneina. Tätä ilmiötä nimitetään kenttäemissioksi.
Pulssien toteuttamiseen on kaksi mahdollista tapaa: laservalo tai vaihtuva sähköjännite. Sekä laser- että sähköpulssien toistotaajuus on 200 kilohertsin luokkaa, mutta yksittäisten pulssien kesto on huomattavasti nopeampi, vain joitakin pikosekunteja.
Sähkökenttä ohjaa irronneet atomit lentoaikamassaspektrometriin, joka erottelee toisistaan eri alkuaineet ja niiden isotoopit.
Spektrometrin anturi on kaksiulotteinen, eli se tallentaa atomien iskujen ajanhetken lisäksi paikat sekä pysty- että vaakasuunnassa. Tästä moniulotteisesta datasta voidaan laskea mittauksen jälkeen tietokoneella, mistä kohdasta mikä atomi lähti lentoon. Näin syntyy kartta tutkittavan näytteen atomirakenteesta.
Yksittäisiä atomeja kerrallaan
Vaikka pulssit ovat äärimmäisen nopeita, yhden näytteen mittaus kestää joistakin tunneista jopa pariin vuorokauteen. Yksittäinen atomi näet irtoaa näytteestä vain noin joka sadannella pulssilla.
Näistä tiedoista voidaan laskea, että yhdellä mittauskerralla näytteestä saadaan kerättyä kymmeniä tai satoja miljoonia atomeja. Se vastaa tavallisille metalleille joidenkin femtogrammojen massaa.
Koska atomitomografiamittauksessa näytteestä irrotetaan atomeja, tutkittava kohta näytteestä väistämättä tuhoutuu. Samaa näytettä voidaan kuitenkin kuvantaa uudestaan toisesta kohtaa kärjen uudelleenteroituksen jälkeen.
”Mittauksen edetessä neula lyhenee ja kärjen halkaisija kasvaa”, Heinilehto selventää tarvetta kärjen teroittamiselle.
Näytteen valmistus haastavaa
Apt on menetelmänä edelleen harvinainen. Koko maailmasta tällaisia kojeita löytyy vain noin 150, niistä lähimmät kaksi Ruotsissa. Määrää voidaan verrata esimerkiksi läpäisyelektronimikroskooppeihin (tem), joita on valmistettu suuruusluokkatasolla satakertaisesti.
Paitsi materiaalitieteeseen soveltuu apt myös joihinkin geokemiallisiin isotooppiajoituksiin, sillä massaspektrometri erottaa toisistaan kunkin alkuaineen eri isotoopit.
- Lisää geokemiasta Tekniikka&Taloudessa:
Erinomaisen tarkkuuden ja kemiallisen analyysikyvyn kääntöpuolina apt:llä on myös joitakin heikkouksia. Ilmiselvin niistä on hitaus, mutta käytännössä hankalimmaksi asiaksi Heinilehto nostaa työlään ja suurta tarkkuutta vaativan näytteenvalmistuksen.
Tutkijoiden täytyy ensiksikin saada heitä kiinnostava nanoskaalan kohde neulan kärjen läheisyyteen. Tämä kohta on yleensä paikannettu läpäisyelektronimikroskoopilla. Myös näytteen suunta ja neulan muotoilu ovat tärkeitä.
”Apt-näytteen valmistusta voisi verrata mikroskoopin linssin hiontaan. Neulan kärjen muotoilu vaikuttaa atomitomografiassa atomien lentorataan ja projektioon detektorilla. Mittaustulosten jälkikäsittelyssä osa virhetekijöistä voidaan kuitenkin korjata”, Heinilehto perustelee.
Ei ainoa, mutta kykyjen yhdistelmä paras
Atomitomografia ei ole ainoa menetelmä, jolla materiaaleista voidaan kuvantaa koostumuskarttoja atomi- tai nanotasolla. Yhtäläistä tarkkuuden ja analyysikyvyn yhdistelmää muilla menetelmillä ei kuitenkaan ole.
Hyvänä vertailukohtana apt:lle Oulun yliopiston Santtu Heinilehto pitää läpäisyelektronimikroskopiaa (tem), koska apt:n ja temin tarkkuus on samaa luokkaa. Lisäksi nämä menetelmät tukevat toisiaan käytännön analyysityössä.
”Käytännössä apt vaatii rinnalleen materiaalitutkimukseen varustellun tem-laitteiston. Temillä tapahtuu tarkin kuvantaminen, apt:llä saadaan tarkka tieto näytteen kemiallisesta koostumuksesta.”
”Materiaalitutkimuksessa eri menetelmien hyödyntäminen yhdessä ja toisiaan täydentäen on oleellista. Atomitomografian sijoittamiseen Oulun yliopistoon oli hyvät edellytykset jo olemassa olleiden useiden atomitason mittalaitteiden ansiosta”, Heinilehto jatkaa.
Nopeampi mutta epätarkempi ”kilpailija”
Toisaalta maallikon silmin apt muistuttaa mittamenetelmänä myös pfib-semiä eli pyyhkäisyelektronimikroskooppia, joka on varustettu plasmaionitäsmäsuihku-nimisellä lisäosalla. Tämä menetelmä on huomattavasti epätarkempi kuin apt, mutta kvalitatiivisesti kuvailtuna mittaus tapahtuu samantapaisesti.
Molemmissa menetelmissä näytteen koostumus kuvannetaan kolmiulotteisesti. Mittauksen aikana näyte tuhoutuu, kun sitä kuoritaan kerros kerrokselta.
Kolmas yhtäläisyys on edellä mainittu kirjainlyhenne pfib – tai täsmällisesti ottaen sen kolme viimeistä kirjainta. Molemmissa menetelmissä näytettä uurretaan ionitäsmäsuihkulla (fib) mutta eri vaiheessa työtä. Apt:ssä sillä sorvataan näyteneulaa ennen mittausta, pfib-semissä kuvantamisen aikana.
Pfib-semin tarkkuus jää alkuainekoostumuksen 3d-analyysissä 500 nanometriin ja kiderakenteen 3d-analyysissä 50 nanometriin. 500 nm tarkkuus tarkoittaa tuhansia kertoja heikompaa kuin Oulun yliopiston apt-laitteessa.
Pintakuvia pyyhkäisyelektronimikroskoopeilla voidaan mitata 0,9 nanometrin tarkkuudella. Tämäkin luku on heikompi kuin apt:llä mutta sentään samassa kertaluokassa.
Pfib-semin etu apt:hen verrattuna on nopeus. Tekniikka&Talous kertoi kaksi vuotta sitten VTT:n Otaniemeen hankkimasta pfib-sem-laitteesta.
- Lisää aiheesta Tekniikka&Taloudessa:
- Lue lisää Tekniikka&Taloudesta:
