Mikroskopprobe-slibningsteknik forbedrer opløsning, holdbarhed

(Phys.org) -- En simpel ny forbedring af en vigtig mikroskopkomponent kunne i høj grad forbedre billeddannelsen for forskere, der studerer de meget små, fra celler til computerchips.

Joseph Lyding, en professor i elektro- og computerteknik ved University of Illinois, ledet en gruppe, der udviklede en ny mikroskop-probe-slibningsteknik. Teknikken er beskrevet i forskning offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .

Scanning-probe-mikroskoper giver billeder af små strukturer med høj opløsning på atomær skala. Spidsen af ​​sonden skimmer overfladen af ​​en prøve for at måle mekanisk, elektriske eller kemiske egenskaber. Sådanne mikroskoper er meget brugt blandt forskere, der arbejder med bittesmå strukturer inden for områder fra nanoteknologi til cellulær biologi.

Labs kan bruge hundredtusindvis af dollars på et elegant instrument – ​​f.eks. et scanning tunneling mikroskop (STM) eller et atomic force microscope (AFM) - alligevel afhænger kvaliteten af ​​dataene af sonden. Prober kan nedbrydes hurtigt ved brug, slides ned og mister opløsning. I sådanne tilfælde, forskeren skal derefter stoppe scanningen og udskifte spidsen.

"For at sætte det i perspektiv, hvis du havde en dyr racerbil, men du satte cykeldæk på den, det ville ikke være en særlig god bil, sagde Lyding.

For at forme tips, forskere skyder en strøm af ioner på spidsen. Materialet sputter af, når ionerne kolliderer med spidsen, fjernelse af sonden. En dag i laboratoriet, efter endnu en tipfejl, Lyding havde det enkle, ny idé om at påføre en matchende spænding på spidsen for at afbøje de indkommende ioner. Når en spænding påføres en skarp genstand, det elektriske felt bliver stærkere, efterhånden som spidsen indsnævres. Derfor, ioner, der nærmer sig den skarpeste del af den elektrificerede spids, afbøjes mest.

"Dette får ionerne til at fjerne materialet omkring den skarpe del, ikke på selve den skarpe del, og det gør det skarpere, sagde Lyding. "Du bevarer pointen, og du skærper det, der er omkring det."

Lyding og kandidatstuderende Scott Schmucker købte en billig ionpistol og testede Lydings idé. Det fungerede smukt. STM-spidser med en startradius på 100 nanometer blev finpudset til et skarpt punkt på 1 nanometer, giver ekstrem høj opløsning. Ud over, sputteringsprocessen fungerer med ethvert elektrisk ledende materiale.

Men når proberne først er ultraskarpe, hvad skal forhindre dem i at blive slidt lige så hurtigt som andre sonder? Lyding og Schmucker slog sig derefter sammen med U. of I. kemiprofessor Gregory Girolami og materialevidenskab og ingeniørprofessor John Abelson, hvis grupper havde demonstreret belægninger til siliciumhalvledere lavet af et materiale kaldet hafniumdiborid. Belægningerne er 10 gange hårdere end det metal, der normalt bruges til at fremstille STM-spidser, men er også metalliske – nøgleegenskaben for ion-forstøvningsprocessen.

Gruppen påførte hafniumdiborid-belægningerne på deres sonder, sprøjtede dem videre, og fandt ud af, at de resulterende prober er stabile, holdbare og udmærker sig i de typer af mikroskopi og mønsterapplikationer, som sådanne spidser bruges til.

"Ingen andre laver sonder med kombinationen af ​​skarpe, hård og metallisk ledning, sagde Lyding, som også er tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology ved U. of I. “Du kan finde den ene eller den anden, men ikke alle tre. Det er der en enorm efterspørgsel på."

Forskerne bevæger sig nu for at kommercialisere deres hårde, skarpe sonder. De modtog et patent og startede et firma kaldet Tiptek for at begynde fremstillingen. De udvider også deres slibningsteknik til at omfatte AFM-sonder samt STM, og udvikler batch-behandlingsteknikker for højere gennemløb.

"Når folk laver AFM-tips, laver de dem på oblater, hundredvis af tips ad gangen, ” sagde Lyding. "Metodologien, som vi udvikler, lader os behandle hele denne wafer som en enhed, så alle 400 tips bliver gjort på samme tid."

Office of Naval Research, Defense Advanced Research Project Agency og National Science Foundation støttede dette arbejde.