Il microscopio a fascio di ioni di litio focalizzato NIST intrappola e raffredda un gas di atomi di litio a pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto (sezione MOT). Un altro laser ionizza gli atomi e quindi i campi elettrici li accelerano, raddrizzare il loro volo e focalizzarli su un bersaglio. Il nuovo approccio del team apre la possibilità di creare un'intera categoria di FIB utilizzando uno qualsiasi di un massimo di 20 elementi diversi. Credito:NIST
I microscopi non mentono esattamente, ma i loro limiti influiscono sulle verità che possono dire. Per esempio, i microscopi elettronici a scansione (SEM) semplicemente non possono vedere i materiali che non conducono molto bene l'elettricità, e le loro alte energie possono effettivamente danneggiare alcuni tipi di campioni.
Nel tentativo di estrarre un po' più di verità dal mondo dei nanomateriali e delle nanostrutture, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno costruito il primo microscopio a fascio ionico focalizzato a bassa energia (FIB) che utilizza una sorgente di ioni di litio.
Il nuovo approccio del team apre la possibilità di creare un'intera categoria di FIB utilizzando uno qualsiasi di un massimo di 20 elementi diversi, aumentando notevolmente le opzioni per l'imaging, scolpire, o materiali caratterizzanti.
Sebbene la risoluzione del nuovo microscopio non sia ancora buona come quella di un SEM o di un microscopio a ioni di elio (HIM), può visualizzare materiali non conduttivi e può visualizzare più chiaramente la composizione chimica sulla superficie di un campione rispetto ai SEM e ai FIB a energia più elevata. E, analizzando l'energia con cui gli ioni si disperdono, i ricercatori hanno dimostrato che il microscopio dovrebbe essere in grado non solo di vedere che i materiali adiacenti sono chimicamente diversi, ma anche identificare gli elementi che li compongono.
Jabez McClelland e i suoi colleghi del NIST hanno applicato tecniche di raffreddamento laser vincitrici del premio Nobel per realizzare il primo FIB a bassa energia utilizzando ioni di litio nel 2011. Da allora, hanno lavorato per perfezionare la tecnica per aumentare la luminosità e la collimazione del raggio, cioè., facendo in modo che tutti gli ioni si muovano nella stessa direzione per renderlo più utile per le applicazioni di imaging.
Il nuovo strumento raffredda prima un gas di atomi di litio neutri a una temperatura di circa 600 microkelvin, solo pochi milionesimi di grado sopra lo zero assoluto, utilizzando laser e una trappola magneto-ottica (MOT) per trattenere gli atomi. Un altro laser ionizza gli atomi e poi i campi elettrici li accelerano, raddrizzando il volo e focalizzando il raggio su un bersaglio.
Il NIST FIB può produrre fasci di ioni di litio con energie nell'intervallo da 500 elettronvolt a 5, 000 elettronvolt (rispetto a circa 30, 000 elettronvolt per HIM.) Il team del NIST può ridurre ulteriormente l'energia del raggio, ma gli effetti di interazione repulsiva alla sorgente limitano quanto piccoli possono focalizzare il raggio quando il campo in accelerazione è più debole.
Come dettagliato nel loro documento, il team ha dimostrato come il loro microscopio potrebbe aiutare a risolvere un problema comune nella litografia nanoimprint, un processo per stampigliare modelli su chip di silicio. Questa tecnica richiede l'incisione nel silicio attraverso gli spazi nello stampino litografia per trasferire il modello.
"Prima che i produttori possano incidere il silicio, devono assicurarsi che gli spazi siano privi di residui chimici, " dice McClelland. "Comunemente, usano un processo chiamato incisione al plasma per pulire quel residuo, ma devono fare attenzione a non esagerare o possono danneggiare il supporto e rovinare il chip. Il nostro telescopio FIB potrebbe verificare se il plasma ha svolto il suo lavoro senza danneggiare il chip. Un microscopio elettronico a scansione non potrebbe farlo perché è difficile vedere il residuo sottile, e il raggio ad alta energia rischia di caricare e/o fondere lo stampino e peggiorare il problema."
Le micrografie di un punto di saldatura elettronica dimostrano come il microscopio FIB al litio (a sinistra) distingua chiaramente tra i componenti di piombo e stagno. Un'immagine SEM (a destra) cattura principalmente le differenze topologiche. Le immagini mostrano una regione di circa 28 micrometri di diametro. Attestazione:Twedt/CNST
Il gruppo ha grandi progetti per il microscopio. Un progetto futuro che stanno pianificando di fare è cercare di svelare esattamente come funzionano le batterie al litio iniettando ioni di litio nei materiali e osservando come influenzano il comportamento delle batterie. Questa e altre applicazioni si aggiungeranno alle capacità della struttura per gli utenti delle nanotecnologie del NIST, il Centro per la scienza e la tecnologia su nanoscala, dove si svolge il lavoro.
Alcuni ex membri del gruppo hanno avviato la propria azienda per sviluppare un FIB di cesio a bassa energia per la fresatura e la scultura di caratteristiche dell'ordine di singoli nanometri, un enorme passo avanti nella nanofabbricazione in caso di successo.
"Questa nuova forma di microscopia che abbiamo sviluppato promette di fornire un nuovo strumento per la nanotecnologia con una buona sensibilità superficiale, contrasto elementare e alta risoluzione, " afferma McClelland. "Le applicazioni spaziano dal controllo del processo di nanofabbricazione allo sviluppo di nanomateriali e all'imaging di biomateriali".
