Materialkaraktäriserings- och tillverkningscenter betjänar akademi och industri – Physics World

Materialkaraktäriserings- och tillverkningscenter betjänar akademi och industri – Physics World

Tidsstämpel: 4 augusti 2023 5:41

Nina Heinig är en materialforskare som leder Waterloo Advanced Technology Laboratory (WATLab), som är ett multidisciplinärt forskningscenter för materialkarakterisering och tillverkning i Waterloo, Kanada. Hon berättar för Hamish Johnston om WATLabs instrument och tjänster och hur de används av forskare inom ett brett spektrum av områden

Nina Heinig
Multidisciplinär karakterisering Nina Heinig på WATLab vid University of Waterloo. (Med tillstånd: University of Waterloo)

Kan du ge en kort beskrivning av WATLab, dess huvudinstrument och vad du tillhandahåller användarnas huvudinstrument och vad du tillhandahåller användarna

WATLab är en fleranvändarmetrologisk anläggning vid Institutionen för kemi vid University of Waterloo. Det etablerades 2000 av professor Kam Tong Leung och dess första två instrument var ett Leo 1530 fältemissionsmikroskop och ett VG EscaLab röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). Idag är de vanligaste instrumenten scanningelektronmikroskop (SEM), XPS, ett högupplöst transmissionselektronmikroskop (HRTEM), elektron- och jonstrålelitografisystem (levererat av Raith), sekundär jonmasspektrometri (SIMS) samt atomkraftsmikroskopi, röntgendiffraktion och Raman- och bildspektroskopi. Vi har också mer specialiserade verktyg, som ett Zeiss heliumjonmikroskop och ett Thermo VG Auger-avbildningsmikroskop, med hela listan tillgänglig på vår webbplats, watlabs.com.

Hur interagerar användare med WATLab? Kommer de in för att använda utrustningen, eller skickar de sina prover till dig?

Under covid-19-pandemin övergick vi till fjärrservice. Men vi har nu gått tillbaka till vår vanliga blandning av användarstyrd (främst SEM) och operatörstjänstmätning. Utbildning var en stor del av det ursprungliga uppdraget från våra finansiärer, och vi erbjuder korta utbildningskurser om att använda några av verktygen säkert och effektivt. De flesta projekt involverar också diskussioner med användarna om hur de ska tolka deras resultat och förstå begränsningarna i data. En stor del av vår finansiering är dock på en avgift-för-tjänst-modell, så omfattande diskussioner och användarhantering av våra mer komplexa och dyra verktyg är helt enkelt inte kostnadseffektivt.

Kan du ge oss en uppfattning om din användarbas på universitetet – vilka institutioner kommer användarna ifrån?

De flesta av våra användare är studenter och lärare vid University of Waterloo och lokala teknikföretag. Vi hjälper också forskare från universitet och företag i tidiga skeden från hela Kanada och i USA. De flesta av våra verktyg och expertis är relaterade till oorganiska material som metaller, keramik, halvledare, även om vi har gjort flera polymer- och biovetenskapliga projekt. Vår användarbas på Waterloo spänner över kemi, fysik, jord- och miljövetenskap. Vi arbetar också med personer på ingenjörsavdelningar inklusive mekanisk, kemi, byggnads- och systemdesignteknik – och vi gör enstaka projekt med personer från andra universitetsavdelningar.

Vilka är några av de mest populära tjänsterna du erbjuder?

Våra mest populära verktyg är fältemissionsscannande elektronmikroskop med energidispersiv röntgenspektroskopi (SEM/EDS). Inom nanovetenskap är förmågan att enkelt observera och analysera material på tiotals nanometerlängdskalan en av anledningarna till att området har expanderat så mycket de senaste åren.   

VG-ESCALab XPS
Användarnas favorit VG-ESCALab XPS har använts för att studera krombindningstillståndet i pigmentmaterial. (Med tillstånd: University of Waterloo)

Därefter är VG-ESCALab XPS-verktyget den utrustning som är mest reserverad av våra användare.  XPS är ett kraftfullt verktyg för att analysera valenstillståndet för olika föreningar. Till exempel har grafit kolbindningar med sp2 hybridisering och diamant sp3 hybridisering. Dessa olika bindningsstrukturer kan observeras i XPS som en förskjutning i kolkinetiska energitoppen. En annan fördel med XPS är dess extrema ytkänslighet. XPS sonderar normalt endast en eller två nanometer av provytan, utan något brus från det underliggande substratet. Detta gör att man kan analysera tunnfilmsmaterial noggrant.

Kan du ge några exempel på några anmärkningsvärda vetenskapliga undersökningar och industriellt arbete som har gjorts på WATLab?

Lokalt har vi hjälpt till med tillverkningsfelsökning och miljösanering. En geovetenskaplig fakultetsmedlem hade ett projekt som letade efter närvaron och formen av arsenik i jorden nära en gruvplats. Vi gick igenom ett stort antal tunnsnittsprover med SEM för att hitta de tunga utfällda arsenikmineralerna och utvärderade dessa med EDS och XPS för att avgöra om arsenikföreningarna  var inerta eller miljöaktiva.   

Ett äldre projekt för Waterloo-baserade BlackBerry var att utvärdera material i deras leveranskedja för förekomst av sexvärt krom, som är cancerframkallande och förbjudet i EU.  Eftersom olika valenser av krom vanligtvis används i pigment, och endast sexvärt krom är farligt, användes ESCALab för att bestämma krombindningstillståndet i material.

På senare tid har ett lokalt nystartat företag utvecklat en ny process för att tillverka smältblåsta polymerfibrer med längre och finare fibrer för olika applikationer inklusive blöjor, våtservetter och filter. Sedan dök COVID-19 upp, så företaget fokuserade på filterapplikationen. Tunnare fibrer gör att mindre partiklar kan avlägsnas med ett mindre tryckfall över filtret, vilket förbättrar effektiviteten. Vi använde SEM för att avbilda deras fibermaterial gjorda under olika förhållanden, för att avgöra vilka faktorer som var optimala.

Vilken karriärväg följde du för att arbeta på WATLab?

Jag tog en grundexamen i fysik vid McGill University i Montreal och en doktorsexamen i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid University of Wisconsin-Madison i USA. Mitt doktorandprojekt var att tillverka, analysera och mäta de supraledande egenskaperna hos yttriumbarium-kopparoxidkorngränser. Efter det arbetade jag som post-doc och forskare i Kalifornien, innan jag återvände till Kanada. Detta gav mig erfarenhet av en mängd olika verktyg och mättekniker, samt erfarenhet av felsökningsutrustning.

Vad trivs du bäst med med ditt jobb?

Det mest intressanta med att arbeta på WATLab är mängden olika projekt som våra användare arbetar med. Att studera artefakter (eller inte!) i en ny datauppsättning är alltid utmanande. Jag har lärt mig mycket om våra verktyg och om hur man kan tillämpa dessa verktyg inom ett antal akademiska områden. Att undervisa och kommunicera med användare är andra viktiga färdigheter som jag har utvecklat på WATLab.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden