Nyt NIST-mikroskop ser, hvad andre ikke kan

Mikroskoper lyver ikke ligefrem, men deres begrænsninger påvirker de sandheder, de kan fortælle. For eksempel, scanning elektronmikroskoper (SEM'er) kan simpelthen ikke se materialer, der ikke leder elektricitet særlig godt, og deres høje energier kan faktisk skade nogle typer prøver.

I et forsøg på at udvinde lidt mere sandhed fra verden af ​​nanomaterialer og nanostrukturer, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har bygget det første lavenergi-fokuserede ionstråle (FIB) mikroskop, der bruger en lithium-ionkilde.

Holdets nye tilgang åbner muligheden for at skabe en hel kategori af FIB'er ved at bruge en af ​​op til 20 forskellige elementer, i høj grad øge mulighederne for billeddannelse, modellering, eller karakteriserende materialer.

Selvom det nye mikroskops opløsning endnu ikke er så god som et SEM eller et helium ion mikroskop (HIM), det kan afbilde ikke-ledende materialer og kan tydeligere visualisere den kemiske sammensætning på overfladen af ​​en prøve end SEM'er og FIB'er med højere energi. Og, ved at analysere den energi, som ionerne spredes med, forskerne har vist, at mikroskopet ikke kun skal kunne se, at tilstødende materialer er kemisk forskellige, men også identificere de elementer, der udgør dem.

Jabez McClelland og hans kolleger ved NIST anvendte nobelprisvindende laserkølingsteknikker til at lave den første lavenergi-FIB ved hjælp af lithium-ioner i 2011. Siden da, de har arbejdet på at forfine teknikken for at øge strålens lysstyrke og kollimation, dvs. få alle ionerne til at bevæge sig i samme retning for at gøre det mere nyttigt til billedbehandlingsapplikationer.

Det nye instrument afkøler først en gas af neutrale lithiumatomer til en temperatur på omkring 600 mikrokelvin, blot et par milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt, ved hjælp af lasere og en magneto-optisk fælde (MOT) til at holde atomerne. En anden laser ioniserer atomerne og derefter accelererer elektriske felter dem, rette deres flugt ud og fokusere strålen på et mål.

NIST FIB kan producere lithium-ion-stråler med energier i området fra 500 elektronvolt til 5, 000 elektronvolt (sammenlignet med ca. 30, 000 elektronvolt for HIM'er.) NIST-holdet kan reducere strålens energi endnu mere, men frastødende interaktionseffekter ved kilden begrænser, hvor små de kan fokusere strålen, når accelerationsfeltet er svagere.

Som beskrevet i deres papir, holdet demonstrerede, hvordan deres mikroskop kunne hjælpe med at løse et almindeligt problem inden for nanoimprint litografi, en proces til stencilering af mønstre på siliciumchips. Denne teknik kræver ætsning i silicium gennem mellemrummene i litografistencilen for at overføre mønsteret.

"Før producenter kan ætse silicium, de skal sørge for, at rummene er fri for kemikalierester, " siger McClelland. "Almindeligvis, de bruger en proces kaldet plasmaætsning til at rense resterne af, men de skal passe på ikke at overdrive det, ellers kan de beskadige underlaget og ødelægge chippen. Vores FIB-skop kan kontrollere, om plasmaet har gjort sit arbejde uden at beskadige chippen. Et scanningselektronmikroskop kunne ikke gøre dette, fordi det er svært at se den tynde rest, og højenergistrålen vil sandsynligvis lade op og/eller smelte stencilen og gøre problemet værre."

Gruppen har store planer for mikroskopet. Et fremtidigt projekt, de planlægger at lave, er at forsøge at opklare præcis, hvordan lithium-batterier fungerer ved at injicere lithium-ioner i materialerne og se, hvordan de påvirker batteriernes adfærd. Denne og andre applikationer vil føje til mulighederne i NISTs nanoteknologibrugerfacilitet, Center for Nanoskala Videnskab og Teknologi, hvor arbejdet udføres.

Et par tidligere medlemmer af gruppen har startet deres eget firma for at udvikle en lavenergi cæsium FIB til fræsning og skulptur af funktioner i størrelsesordenen enkelte nanometer, et stort spring inden for nanofabrikation, hvis det lykkes.

"Denne nye form for mikroskopi, vi har udviklet, lover at give et nyt værktøj til nanoteknologi med god overfladefølsomhed, elementær kontrast og høj opløsning, " siger McClelland. "Anvendelserne spænder fra nanofabrikationsproceskontrol til nanomaterialeudvikling og billeddannelse af biomaterialer."