Un team interdisciplinare di ricercatori dell'Università di Anversa (Belgio) ha condotto con successo studi in-situ con un plasma generato all'interno di un microscopio elettronico a scansione (SEM). Ciò segna la prima volta che è stata ottenuta l'imaging SEM dal vivo durante il trattamento del campione con un plasma. Lo studio è pubblicato sulla rivista Advanced Materials Technologies .
I plasmi, spesso descritti come gas ionizzati o come quarto stato della materia, hanno una vasta gamma di applicazioni. Ad esempio, nell'industria dei semiconduttori, svolgono un ruolo fondamentale nel processo litografico utilizzato per produrre chip per computer.
Stanno inoltre guadagnando un notevole interesse per le applicazioni della chimica verde, come la CO2 e CH4 conversione in prodotti chimici a valore aggiunto o combustibili rinnovabili, N2 fissazione per la produzione di fertilizzanti verdi, nonché per applicazioni biomediche, come il trattamento del cancro, la guarigione delle ferite o la disinfezione. Inoltre, i plasmi sono anche oggetto di ricerche approfondite per ottenere informazioni più fondamentali.
Molti dei processi rilevanti per le applicazioni del plasma avvengono a livello microscopico e la loro osservazione spesso richiede immagini ad alta risoluzione che vanno oltre le capacità di un microscopio ottico convenzionale. Pertanto, in questa ricerca è stato utilizzato un microscopio elettronico a scansione (SEM).
Un microscopio di questo tipo utilizza un fascio focalizzato di elettroni altamente energetici, che viene scansionato attraverso la superficie del materiale di interesse. Raccogliendo vari segnali prodotti dal fascio di elettroni e compilandoli pixel per pixel, è possibile generare immagini altamente ingrandite del campione, fino al regime nanometrico.
Per condurre questi studi sul plasma in situ in un SEM, è stato necessario affrontare diverse sfide. In primo luogo, i microscopi elettronici vengono generalmente utilizzati in condizioni di vuoto spinto per ridurre al minimo le interazioni degli elettroni con le molecole di gas.
Per creare la nube di gas necessaria per un plasma, è stato introdotto nella camera del microscopio un tubo sottile con un foro delle dimensioni di un micrometro all'estremità per consentire un flusso di gas controllato verso il campione. Il flusso di gas limitato era sufficiente per il funzionamento locale del plasma mantenendo una bassa pressione nel resto del microscopio per l'imaging.
In secondo luogo, la creazione e il mantenimento di un plasma richiedono un forte campo elettrico che può influenzare gli elettroni necessari per l’imaging microscopico. Ottimizzando l'hardware e i parametri della configurazione, il team ha ridotto al minimo la deflessione del fascio di elettroni e ha assicurato una scarica di plasma stabile, consentendo l'imaging in tempo reale durante il funzionamento del plasma. In questo modo è possibile catturare una visione in tempo reale del trattamento di una pellicola di rame, come mostrato nel video sopra/sotto.
Questo risultato significativo è stato possibile solo grazie al team interdisciplinare di ricercatori che hanno potuto lavorare a questo progetto. Persone con esperienza in elettronica, microscopia elettronica e tecnologia del plasma, sotto la supervisione del Prof. Jo Verbeeck (gruppo di ricerca EMAT) e della Prof.ssa Annemie Bogaerts (gruppo di ricerca PLASMANT), hanno unito le forze per raggiungere questo importante traguardo.
Come passo successivo, il team mira ora a sviluppare ulteriormente le capacità analitiche dello strumento incorporando ulteriori rilevatori oltre all’imaging per la caratterizzazione elementare e strutturale in tempo reale, che potrebbe portare a nuove conoscenze nella ricerca sulla scienza dei materiali e sui fondamenti della fisica del plasma.
Ulteriori informazioni: Lukas Grünewald et al, Studi sul plasma in situ utilizzando un microplasma a corrente continua in un microscopio elettronico a scansione, Tecnologie avanzate dei materiali (2024). DOI:10.1002/adm.202301632
Fornito dall'Università di Anversa
