El microscopio de haz de iones de litio enfocado por el NIST atrapa y enfría un gas de átomos de litio a solo unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto (sección MOT). Otro láser ioniza los átomos y luego los campos eléctricos los aceleran. enderezar su vuelo y enfocarlos en un objetivo. El nuevo enfoque del equipo abre la posibilidad de crear una categoría completa de FIB utilizando cualquiera de hasta 20 elementos diferentes. Crédito:NIST
Los microscopios no mienten exactamente pero sus limitaciones afectan las verdades que pueden contar. Por ejemplo, Los microscopios electrónicos de barrido (SEM) simplemente no pueden ver los materiales que no conducen la electricidad muy bien, y sus altas energías pueden dañar algunos tipos de muestras.
En un esfuerzo por extraer un poco más de verdad del mundo de los nanomateriales y nanoestructuras, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han construido el primer microscopio de haz de iones enfocado (FIB) de baja energía que utiliza una fuente de iones de litio.
El nuevo enfoque del equipo abre la posibilidad de crear una categoría completa de FIB utilizando cualquiera de hasta 20 elementos diferentes, aumentando enormemente las opciones para la obtención de imágenes, esculpir o caracterizar materiales.
Aunque la resolución del nuevo microscopio aún no es tan buena como la de un SEM o un microscopio de iones de helio (HIM), Puede obtener imágenes de materiales no conductores y puede visualizar más claramente la composición química en la superficie de una muestra que los SEM y FIB de mayor energía. Y, analizando la energía con la que se dispersan los iones, Los investigadores han demostrado que el microscopio no solo debería poder ver que los materiales adyacentes son químicamente diferentes, pero también identificar los elementos que los componen.
Jabez McClelland y sus colegas del NIST aplicaron técnicas de enfriamiento por láser ganadoras del Premio Nobel para fabricar el primer FIB de baja energía que utiliza iones de litio en 2011. Desde entonces, han estado trabajando para perfeccionar la técnica para aumentar el brillo y la colimación del haz, es decir., conseguir que todos los iones se muevan en la misma dirección para que sea más útil para aplicaciones de imágenes.
El nuevo instrumento enfría primero un gas de átomos de litio neutros a una temperatura de aproximadamente 600 microkelvins, solo unas millonésimas de grado por encima del cero absoluto, utilizando láseres y una trampa magnetoóptica (MOT) para contener los átomos. Otro láser ioniza los átomos y luego los campos eléctricos los aceleran, enderezar su vuelo y enfocar el rayo en un objetivo.
El NIST FIB puede producir haces de iones de litio con energías en el rango de 500 electronvoltios a 5, 000 electronvoltios (en comparación con unos 30, 000 electronvoltios para HIM). El equipo del NIST puede reducir aún más la energía del haz, pero los efectos de interacción repulsiva en la fuente limitan cuán pequeños pueden enfocar el rayo cuando el campo de aceleración es más débil.
Como se detalla en su artículo, el equipo demostró cómo su microscopio podría ayudar a resolver un problema común en la litografía de nanoimpresión, un proceso para estarcir patrones en chips de silicio. Esta técnica requiere grabar en el silicio a través de los espacios en la plantilla de litografía para transferir el patrón.
"Antes de que los fabricantes puedan grabar el silicio, tienen que asegurarse de que los espacios estén libres de residuos químicos, "dice McClelland." Por lo general, utilizan un proceso llamado grabado con plasma para limpiar ese residuo, pero deben tener cuidado de no exagerar o pueden dañar el sustrato y arruinar el chip. Nuestro osciloscopio FIB podría comprobar si el plasma ha hecho su trabajo sin dañar el chip. Un microscopio electrónico de barrido no podría hacer esto porque es difícil ver el residuo delgado, y es probable que el rayo de alta energía se cargue y / o derrita la plantilla y empeore el problema ".
Las micrografías de una mancha de soldadura electrónica demuestran cómo el microscopio FIB de litio (izquierda) distingue claramente entre los componentes de plomo y estaño. Una imagen SEM (derecha) captura principalmente diferencias topológicas. Las imágenes muestran una región de aproximadamente 28 micrómetros de ancho. Crédito:Twedt / CNST
El grupo tiene grandes planes para el microscopio. Un proyecto futuro que planean hacer es tratar de desentrañar exactamente cómo funcionan las baterías de litio inyectando iones de litio en los materiales y observando cómo afectan el comportamiento de las baterías. Esta y otras aplicaciones se sumarán a las capacidades de la instalación de usuario de nanotecnología del NIST, el Centro de Ciencia y Tecnología a Nanoescala, donde se está realizando el trabajo.
Algunos antiguos miembros del grupo han creado su propia empresa para desarrollar un FIB de cesio de bajo consumo energético para fresar y esculpir características del orden de nanómetros simples. un gran salto en la nanofabricación si tiene éxito.
"Esta nueva forma de microscopía que hemos desarrollado promete proporcionar una nueva herramienta para la nanotecnología con una buena sensibilidad superficial, contraste elemental y alta resolución, ", dice McClelland." Las aplicaciones van desde el control del proceso de nanofabricación hasta el desarrollo de nanomateriales y la obtención de imágenes de biomateriales ".
