台式扫描电子显微镜在先进材料研究中的应用亚博网站下载

Colin Humphreys教授是剑桥大学材料科学与冶金系的研究主任，也是剑桥氮化镓中心和罗尔斯-罗伊斯大学技术中心的创始人。亚博网站下载亚博老虎机网登录在这次采访中，他谈到了他广泛的研究对现实世界的影响，以及电子显微镜在材料科学中的重要性。亚博网站下载亚博老虎机网登录

为什么材料科学亚博网站下载是一个如亚博老虎机网登录此重要的研究领域?

亚博网站下载材料科学亚博老虎机网登录是一个非常重要的主题，因为如果你看我们在许多生活领域使用的物体，通常限制因素通常是用于制造它们的材料。

例如，如果刀片在割草机上突破，那就是一个失败的材料。如果您的屋顶上有太阳能电池板，其效率受我们使用的材料的限制。亚博网站下载如果您查看喷气发动机，在飞机飞过大西洋的飞机中 - 如果可以使材料在更高的温度下工作，发动机可以更有效，使用较少的燃料和减少碳排放。亚博网站下载一般来说，如果可以改进物体中的材料，那么制造商然后可以销售更多的该对象亚博网站下载。

因此，亚博网站下载材料科学亚博老虎机网登录只是控制我们所做的一切。这是一个非常重要的话题。

您的工作是基于使用电子显微镜研究先进材料。亚博网站下载为什么电子显微镜在该地区这样一个有价值的工具？

显微镜对研究材料是必不可少的。亚博网站下载材料本身亚博网站下载通常是在原子水平上控制的，或者接近原子水平，这就是为什么我们需要电子显微镜来成像材料。我们系里的高倍显微镜，比如FEI Titan，可以分辨材料中的单个原子，并给出奇妙的结果，但它很难使用。亚博网站下载你至少需要两年的培训——当你想要给一种材料拍照时，如果可能需要三四个小时来校准显微镜的话。

因此，在这些大显微镜下，我们有时需要更简单的仪器可以快速查看材料，在较低的放大率下。亚博网站下载在较低的分辨率下开始成像通常很好，并达到原子分辨率，因此您可以获得样本的完整图片。

桌面仪器，如Phenom，非常有用，因为您可以在仅15分钟内培训某人将它们使用，并且它们可用于以众多的样本。需要非常少的准备 - 您只需将标本放入显微镜，10分钟后，您可以使用您的图像。

你能给我们一个例子，桌面SEM特别有用吗？

天工异彩不仅能产生图像，它还有x光附件。

通过在电子束击中样品时查看材料发出的特征X射线，您可以说明材料是什么。

一个有趣的例子是人工髋关节。我们在这里研究了很多医疗材料，人工亚博网站下载髋关节经常会失败，其中一种可能的情况是，来自髋部的金属会沉积在它旋转的塑料承座上。

有了Phenom，我们可以把整个髋臼放到显微镜里——这在大的电子显微镜里是不可能的，因为你只能取一小片材料。我们可以看到塑料表面是否有金属沉积，我们可以毫无疑问地说，从柄上看，金属是钛。这是个坏消息，因为钛可能会进入你的血液，所以这一信息可能会挽救病人的生命。

告诉我们你在氮化镓中心的工作。

我在2000年创立了剑桥氮化镓中心，当时我们很幸运地得到了当地一个行业捐赠的氮化镓生长设备，价值75万英镑。app亚博体育从那以后我们一直在研究氮化镓。

这是一个非常简单的化合物 - 只是镓和氮气，非常强烈地结合在一起 - 它本质上不存在。它具有最显着的财产。如果将一些铟添加到它，并通过微小的电流，它会发出您想要的任何颜色灯。15％的铟产生蓝光，25％给你绿灯，等等。如果添加一些铝，您甚至可以进入紫外线。

在我们研究氮化镓的这段时间里，我们在LED技术方面取得了一些重大进展。

大多数人都熟悉LED或发光二极管。他们现在都在我们身边，在许多产品中，甚至在儿童玩具中。他们越来越多地用于点燃我们的家园 - 但其中一个主要问题是它们相当昂贵。60W更换LED灯泡花费15英镑。并不是很多人都支付15英镑，即使它在其寿命上拯救了你的终身，因为电力消耗太低了。

我们有了突破。我们一直在硅上种植氮化镓发光二极管，而不是在蓝宝石上。你在商店里买的所有led都是在蓝宝石上生长的，这使得它们非常昂贵——即使是像这样的人造蓝宝石也非常昂贵。

显微镜对于观察这些设备的内部结构是必不可少的。这些装置的发光部分被称为量子阱，因为它们非常薄——通常是5或10个原子层。这些结构非常小，只有用电子显微镜才能看到。

通过在硅上生长材料，价格将急剧下降。这就是我们所做的 - 我们已经建立了几家公司，这些公司在硅的氮化镓LED芯片现在正在英国制造。普莱恩去年制造并售出了200万 - 今年他们计划出售5000万。这是一个迅速扩大的业务。

这就是我们的主要突破。我们也在研究led效率的极限，以及如何推动效率越来越高。

从根本上说，这项研究的目标是让led足够便宜和高效地应用到世界各地的家庭和办公室，这将节省大量的能源——高达我们使用的电力的10%，这是非常了不起的。仅在英国，这一数字就达到了20亿英镑。

在全世界，如果40％的照明是LED，我们可以关闭500多个全尺寸发电站。节能潜力巨大，当然也是电力站碳排放量的巨大减少。

除了照明之外，led还有很多应用——你能告诉我们其中的一些吗?

我提到过可以通过在氮化镓中加入铝来制造紫外线led。紫外线是迷人的——正确的紫外线波长可以杀死所有的细菌和病毒。它实际上会破坏核酸，而核酸是DNA和RNA的一部分。

我们想用它来净化发展中国家的水——在发展中国家，每年大约有300万人死于与水有关的疾病，所以一个廉价的消毒水可以拯救数百万人的生命。紫外线杀菌实际上可能比氯化杀菌更好，所以我认为我们最终也会在发达国家使用它!

一些可见光存在健康益处 - 事实证明，某种波长的蓝光杀死导致痤疮的细菌。我们正在与当地公司合作，他们刚刚制作了一个靠近脸部的设备，其中包含一组半蓝色和半红色的LED。蓝光杀死细菌，痤疮基本上消失 - 红灯在那里有助于治疗过程，因为它可以帮助皮肤愈合更快。

几年前，人们意识到氮化镓不仅是一种用于发光二极管的伟大材料，也是电力电子设备中节约能源的一种潜在方法。任何能改变电力供应中电压或电流的装置都是电力电子装置。它们被广泛应用于电脑、手机充电器和太阳能系统中，目前它们都是由硅制成的。

如果我们可以用氮化镓含镓电子设备替换硅电力电子设备，那么效率效率为40％，我们将另外排除所有电力的10％。因此，带有当前技术的LED照明可以节省10％;氮化镓电力电子设备可以节省10％;随着LED效率的进一步改善，我们认为可以保存另外5％。

这是所有电力消耗的25%，发电站排放的所有碳的25%，仅仅是这一种材料。这可能比风能、太阳能和潮汐能的总和还要多。氮化镓确实是一种很棒的材料，它将有助于我们的经济发展并减少碳排放。

你能告诉我们关于劳斯莱斯技术中心吗？这是怎么开始的？

这个系有一个罗尔斯-罗伊斯大学技术中心，是我和罗尔斯-罗伊斯在1994年建立的。那时我们得到了劳斯莱斯的一小笔资助，从那以后，我们的公司就不断发展壮大。

罗尔斯-罗伊斯是世界领先的航空航天公司之一。当我开始在罗尔斯-罗伊斯工作时，他们是世界上第三大航空发动机制造商。通用电气(General Electric)排名第一，普惠(Pratt & Whitney)排名第二，然后是劳斯莱斯(Rolls-Royce)。现在通用电气排名第一，劳斯莱斯排名第二，普惠排名第三。这在很大程度上要归功于发动机材料的改进——我们在这个部门开发的亚博网站下载材料现在应用在劳斯莱斯发动机上，帮助发动机更加高效。

引擎的哪些部分是你特别关注的?

我们在涡轮刀片和压缩机刀片上做了很多工作。电子显微镜再次对于看这些材料的原子结构至关重要。亚博网站下载有时，刀片会失败，它将在这里发送。

我们做的第一件事是看表面，扫描电镜在这种情况下很好，因为我们可以把整个刀片放在杰出人才，看看是否有任何表面裂缝或其他功能，可以向我们提供任何情况到所发生的事情。

我们的研究有很大一部分是非常基础的、不切实际的研究。我们正在研究人们以前从未看过的新材料。亚博网站下载我们正在尝试不同成分的新合金。

我们只是想找到高温真正强烈的材料 - 足够强大，以承亚博网站下载受像鸟类罢工的东西，同时在最高温度下运行。

温度非常重要，因为它直接影响发动机的效率。事实证明，由于热力学定律 - 发动机运行的温度越高，发动机的温度越高。因此，发动机的效率实际上受所用材料的限制，并且它们可以承受的温度。亚博网站下载

因此，我们希望开发新的材料，真正坚固的材料，可以在更高的温度下亚博网站下载工作，这样最终飞机将更有效率，需要更少的燃料，并减少碳排放。

我们在这一领域取得了很大的成功，我们与Rolls Royce有很强的关系。我相信我们的材料将继续用于亚博网站下载下一代劳斯莱斯发动机。

关于Colin Humphreys爵士

Colin Humphreys爵士，英国文学学士，剑桥大学材料科学与冶金系教授和研究主任。亚博网站下载亚博老虎机网登录

His honours include being elected a Fellow of the Royal Academy of Engineering in 1996, and a Fellow of the Royal Society in 2011. He was awarded a CBE in 2003 for services to 亚博老虎机网登录science as a researcher and communicator, and was knighted in 2010.

Humphreys教授的研究兴趣主要集中在三个主要区域：氮化镓材料和器件;亚博网站下载先进的电子显微镜;和高温航空航天材料。亚博网站下载

1994年，在与罗尔斯-罗伊斯达成协议后，他在剑桥成立了罗尔斯-罗伊斯大学技术中心，这是全球30多个形成网络的中心之一供产业界和学术界进行合作研究．

2000年，Humphreys教授创立了剑桥中心，为氮化镓，现在是一个20强的研究组，在研究GaN LED，激光器和其他设备的研究中工作。

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