Materialkarakterisering og fabrikasjonssenter betjener akademia og industri – Physics World

Materialkarakterisering og fabrikasjonssenter betjener akademia og industri – Physics World

Tidsstempel: 4. august 2023 kl.5: 41

Nina Heinig er en materialforsker som leder Waterloo Advanced Technology Laboratory (WATLab), som er et tverrfaglig forskningssenter for materialkarakterisering og fabrikasjon i Waterloo, Canada. Hun forteller Hamish Johnston om WATLabs instrumenter og tjenester og hvordan de brukes av forskere innen en lang rekke felt

Nina Heinig
Tverrfaglig karakterisering Nina Heinig ved WATLab ved University of Waterloo. (Med tillatelse: University of Waterloo)

Kan du gi en kort beskrivelse av WATLab, dets hovedinstrumenter og hva du gir til brukernes hovedinstrumenter og hva du gir til brukerne

WATLab er et flerbruker metrologianlegg i Institutt for kjemi ved University of Waterloo. Det ble etablert i 2000 av professor Kam Tong Leung, og dets to første instrumenter var et Leo 1530 feltemisjonsmikroskop og et VG EscaLab X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) verktøy. I dag inkluderer de mest tilgjengelige instrumentene skanneelektronmikroskoper (SEM), XPS, et høyoppløselig transmisjonselektronmikroskop (HRTEM), elektron- og ionestrålelitografisystemer (levert av Raith), sekundær ionemassespektrometri (SIMS), samt atomkraftmikroskopi, røntgendiffraksjon og Raman- og bildespektroskopi. Vi har også mer spesialiserte verktøy, for eksempel et Zeiss heliumionmikroskop og et Thermo VG Auger bildemikroskop, med den komplette listen tilgjengelig på nettsiden vår, watlabs.com.

Hvordan samhandler brukere med WATLab? Kommer de inn for å bruke utstyret, eller sender de prøvene sine til deg?

Under COVID-19-pandemien gikk vi over til ekstern service. Imidlertid har vi nå gått tilbake til vår vanlige blanding av brukerstyrt (hovedsakelig SEM) og operatørtjenestemetrologi. Utdanning var en stor del av det opprinnelige mandatet fra finansieringsbyråene våre, og vi tilbyr korte opplæringskurs for å bruke noen av verktøyene trygt og effektivt. De fleste prosjekter involverer også diskusjoner med brukerne om hvordan de skal tolke resultatene deres og forstå begrensningene til dataene. Imidlertid er mye av finansieringen vår på en avgift-for-tjeneste-modell, så omfattende diskusjoner og brukerdrift av våre mer komplekse og dyre verktøy er rett og slett ikke kostnadseffektivt.

Kan du gi oss en idé om brukerbasen din ved universitetet – hvilke institutter kommer brukerne fra?

De fleste av våre brukere er studenter og fakulteter ved University of Waterloo, og lokale teknologiselskaper. Vi bistår også forskere fra universiteter og tidligfasebedrifter fra hele Canada og i USA. De fleste av våre verktøy og ekspertise er relatert til uorganiske materialer som metaller, keramikk, halvledere, selv om vi har gjort flere polymer- og biovitenskapsprosjekter. Vår brukerbase på Waterloo spenner over kjemi, fysikk, jord og miljøvitenskap. Vi jobber også med folk i ingeniøravdelinger, inkludert mekanisk, kjemisk, sivil- og systemdesigningeniør – og vi gjør sporadiske prosjekter med folk fra andre universitetsavdelinger.

Hva er noen av de mest populære tjenestene du tilbyr?

Våre mest populære verktøy er feltemisjonsskannende elektronmikroskoper med energidispersiv røntgenspektroskopi (SEM/EDS). Innen nanovitenskap er evnen til enkelt å observere og analysere materialer på lengdeskalaen på titalls nanometer en av grunnene til at feltet har utvidet seg så mye de siste årene.   

VG-ESCALab XPS
Brukernes favoritt VG-ESCALab XPS har blitt brukt til å studere krombindingstilstanden i pigmentmaterialer. (Med tillatelse: University of Waterloo)

Etter det er VG-ESCALab XPS-verktøyet det utstyret som er mest reservert av våre brukere.  XPS er et kraftig verktøy for å analysere valenstilstanden til ulike forbindelser. For eksempel har grafitt karbonbindinger med sp2 hybridisering og diamant sp3 hybridisering. Disse forskjellige bindingsstrukturene kan observeres i XPS som et skifte i den kinetiske energitoppen for karbon. En annen fordel med XPS er dens ekstreme overflatefølsomhet. XPS sonderer normalt bare en eller to nanometer av prøveoverflaten, uten støy fra det underliggende substratet. Dette gjør at man kan analysere tynnfilmmaterialer nøyaktig.

Kan du gi noen eksempler på noen bemerkelsesverdige vitenskapelige undersøkelser og industriarbeid som har blitt utført ved WATLab?

Lokalt har vi bistått med fabrikasjonsfeilsøking og miljøsanering. Et medlem av fakultetet for geovitenskap hadde et prosjekt som lette etter tilstedeværelsen og formen av arsen i jorda nær et gruvested. Vi gikk gjennom et stort antall tynnseksjonsprøver med SEM for å finne de tunge utfelte arsenmineralene, og evaluerte disse med EDS og XPS for å bestemme om arsenforbindelsene  var inerte eller miljøaktive.   

Et eldre prosjekt for Waterloo-baserte BlackBerry var å evaluere materialer i forsyningskjeden for tilstedeværelsen av seksverdig krom, som er kreftfremkallende og forbudt i EU.  Siden ulike valenser av krom ofte brukes i pigmenter, og bare seksverdig krom er farlig, ble ESCALab brukt til å bestemme krombindingstilstanden i materialer.

Nylig utviklet et lokalt oppstartsselskap en ny prosess for fremstilling av smelteblåste polymerfibre med lengre og finere fibre for ulike bruksområder, inkludert bleier, kluter og filtre. Så dukket COVID-19 opp, så selskapet fokuserte på filterapplikasjonen. Tynnere fibre gjør at mindre partikler kan fjernes med et mindre trykkfall over filteret, noe som forbedrer effektiviteten. Vi brukte SEM for å avbilde fibermaterialene deres laget under forskjellige forhold, for å finne ut hvilke faktorer som var optimale.

Hvilken karrierevei fulgte du for å jobbe i WATLab?

Jeg tok en fysikkgrad ved McGill University i Montreal, og en doktorgrad i materialvitenskap og ingeniørfag ved University of Wisconsin-Madison i USA. PhD-prosjektet mitt var å fremstille, analysere og måle de superledende egenskapene til yttriumbarium-kobberoksid-korngrenser. Etter det jobbet jeg som post-doc og forsker i California, før jeg returnerte til Canada. Dette ga meg erfaring med en rekke verktøy og måleteknikker, samt erfaring med feilsøkingsutstyr.

Hva liker du best med jobben din?

Det mest interessante med å jobbe hos WATLab er mangfoldet av forskjellige prosjekter som brukerne våre jobber med. Å studere artefakter (eller ikke!) i et nytt datasett er alltid utfordrende. Jeg har lært mye om verktøyene våre, og om hvordan disse verktøyene kan brukes på en rekke akademiske områder. Undervisning og kommunikasjon med brukere er andre viktige ferdigheter som jeg har utviklet mens jeg var på WATLab.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden