רבים מתחומי המחקר הנמצאים כיום בחזית המדע והטכנולוגיה, ובפרט בתחומי אגירה והמרה של אנרגיה, מצריכים הבנה וידע בסיסיים הקשורים בהרכב ובמבנה של חומרים בסקלה הננומטרית והאטומיסטית. שיטות מיקרוסקופיה מתקדמות המבוססות על קרני אלקטרונים ויונים מסוגלות לענות על חלק ניכר מצרכים אלה, אולם מוגבלות בד”כ למידע מאיזורים דו-מימדיים, ואינן מסוגלות לספק מידע מלא מאיזורים בקנה-מידה ננומטרי בד בבד עם רגישות כימית גבוהה.
שיטת האפיון (Atome Probe Tomography (APT מהווה מרכיב נכבד במכון הלאומי לאגירת אנרגיה. זוהי שיטת מיקרוסקופיה ייחודית המסוגלת לבצע הדמיה של דגימות חומרים בסדר גודל תת-מיקרוני מאיזורים בסקלה אטומיסטית, עם רגישות כימית גבוהה לכל סוגי האלמנטים. השיטה מבוססת על יינון מבוקר של פני שטח של דגמים בצורת מחט ברדיוס עקמומיות מסד”ג עשרות ננומטרים בעזרת שדה חשמלי גבוה בתא ואקום, והאצת היונים לגלאי הקובע את הזהות הכימית והמיקום המדויק ממנו יצאו היונים. אלגוריתם איסוף ופענוח ממוחשב מאפשר בניה של תבנית תלת-מימדית המדמה את המיקומים המרחביים של האטומים בדגם, שנאספו מנפח דגימה אופייני של עשרות ננומטרים מעוקבים ומכיל סדר גודל של עשרות מיליוני אטומים. כיום, שיטה הדמיית הדגימה האטומיסטית מיושמת כחלק סטנדרטי בכמה ממרכזי המיקרוסקופיה המתקדמים בעולם, ומהוה שיטה משלימה למיקרוסקופית אלקטרונים חודרת בכושר הפרדה גבוה.
התכונות העיקריות של APT כוללות:
- רזולוציה אטומית: זיהוי של אטומים בודדים ומיקומיהם
- הדמיה תלת מימדית: יצירת מודלים תלת מימדיים של מבנים בקנה מידה ננומטרי
- רגישות גבוהה: זיהוי אלמנטים עד לריכוזים של חלקי מיליון (ppm); יעילות גילוי גבוהה עבור יסודות בעלי מסה אטומית נמוכה
- ישימות: מתכות, מוליכים למחצה, קרמיקה ואפילו ביו-חומרים.
להלן רשימה חלקית של דוגמאות מתחומי מחקר וטכנולוגיה, עבורן צפויה ל-APT השפעה משמעותית: עיצוב מתקדם של סגסוגות לסוללות נטענות מבוססות מגנזיום וסיליקון באמצעות ציפויים ננומטריים; פילוג אלמנטים במוליכים למחצה כגון סיליקון וגרמניום לתאים פוטו-וולטאים, וכן ננו-חוטים לסוללות ליתיום-יון; ממשקים של טופולוגיות מורכבות ומתקדמות וכימיה/פיזיקה בחומרים לתאי דלק, וכן תאים סולאריים גמישים הכוללים חומרי צבע אורגניים; התפלגות פגמים בחומרים להמרת אנרגיה וננו-חומרים ליישומי אחסון אנרגיה. רשימת היישומים של טכנולוגית הדמיה מהפכנית זאת היא נרחבת וכוללת דוגמאות נוספות עם השפעה על חקר חומרים ותקנות לאחסון אנרגיה אלקטרוכימית או אנרגיה שמקורה בטכנולוגיית “מימן ירוק”. אנו צופים השפעות מהותיות של טכנולוגית האפיון המתקדמת הזאת על תחומי מחקר רבים, עכשויים ועתידיים, הקשורים לאנרגיה במדינת ישראל.
פרופ’ח ירון אמויאל
מנהל אקדמי
073-3781915
[email protected]
ד”ר ענבר פרייליך
מנהלת המרכז לטומוגרפית דגימה אטומית (APT)
073-3785135
[email protected]
