إعداد العينات والتصميم التجريبي لتجارب التشعيع المجهري الإلكتروني متعدد الحزم في الموقع

ملخص

يتم تحديد تقنيات تحضير العينات مع اعتبارات محددة لتجارب TEM للإشعاع الأيوني في الموقع. تتم مناقشة الأنواع الأيونية والطاقة والطلاقة مع طرق كيفية اختيارها وحسابها. أخيرا ، يتم وصف إجراءات إجراء التجربة ومصحوبة بالنتائج التمثيلية.

الملخص

هناك حاجة لفهم المواد المعرضة للبيئات القاسية المتداخلة مثل درجات الحرارة المرتفعة أو الإشعاع أو الإجهاد الميكانيكي. عندما يتم الجمع بين هذه الضغوطات ، قد تكون هناك تأثيرات تآزرية تمكن آليات تطور البنية المجهرية الفريدة من التنشيط. يعد فهم هذه الآليات ضروريا لمدخلات وصقل النماذج التنبؤية وأمر بالغ الأهمية لهندسة مواد الجيل التالي. تتطلب الفيزياء الأساسية والآليات الأساسية أدوات متقدمة للتحقيق فيها. تم تصميم المجهر الإلكتروني لنقل الإشعاع الأيوني في الموقع (I³TEM) لاستكشاف هذه المبادئ.

للتحقيق الكمي في التفاعلات الديناميكية المعقدة في المواد ، يلزم التحضير الدقيق للعينات والنظر في التصميم التجريبي. يمكن أن يؤدي التعامل مع العينات أو تحضيرها بسهولة إلى حدوث تلف أو ميزات تشوش القياسات. لا توجد طريقة واحدة صحيحة لإعداد عينة. ومع ذلك ، يمكن ارتكاب العديد من الأخطاء. يتم تسليط الضوء على الأخطاء والأشياء الأكثر شيوعا التي يجب مراعاتها في الداخل. يحتوي I³TEM على العديد من المتغيرات القابلة للتعديل ومساحة تجريبية محتملة كبيرة ، لذلك من الأفضل تصميم تجارب مع وضع سؤال أو أسئلة علمية محددة في الاعتبار.

تم إجراء التجارب على عدد كبير من هندسة العينات وفئات المواد والعديد من ظروف التشعيع. فيما يلي مجموعة فرعية من الأمثلة التي توضح قدرات فريدة في الموقع باستخدام I³TEM. تم استخدام الجسيمات النانوية المحضرة بواسطة الصب بالقطرات للتحقيق في تأثيرات ضربات الأيونات المفردة. تم استخدام أغشية Au الرقيقة في الدراسات التي أجريت على تأثيرات التشعيع متعدد الحزم على تطور البنية المجهرية. تعرضت أفلام Zr للإشعاع والتوتر الميكانيكي لفحص الزحف. تعرضت الأعمدة النانوية Ag لدرجة حرارة عالية متزامنة ، وضغط ميكانيكي ، وتشعيع أيوني لدراسة الزحف الناجم عن الإشعاع أيضا. تؤثر هذه النتائج على المجالات بما في ذلك: المواد الإنشائية ، والطاقة النووية ، وتخزين الطاقة ، والتحفيز ، والإلكترونيات الدقيقة في البيئات الفضائية.

المقدمة

يستخدم المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) على نطاق واسع لقدرته على مراقبة العينات على المقياس النانوي. في وقت مبكر من تطوير المجاهر الإلكترونية ، حدد علماء الميكروسكوب TEM في الموقع كأداة قوية يمكن استخدامها لمراقبة دور العيوب البلورية مباشرة ، والقياسات الحركية لمعدلات التفاعل ، والآليات الأساسية في العمليات^{الديناميكية 1}. من خلال التحكم بعناية في البيئة والمراقبة المباشرة للتطور المادي ، يمكن اكتساب نظرة ثاقبة للآليات الأساسية. تعلم هذه المعرفة النمذجة التنبؤية لاستجابة المواد^2،3 ، وهو أمر بالغ الأهمية في التطبيقات التي يكون فيها اختبار موثوقية المواد التقليدية صعبا للغاية. التطبيقات التي تكون فيها المواد بعيدة للغاية ، في بيئات معادية بشكل لا يصدق ، في الخدمة لفترات طويلة للغاية ، أو مزيج من هذه العوامل. تعد البيئات الإشعاعية أحد الأمثلة على ذلك حيث توجد تحديات كبيرة في إجراء الدراسات التجريبية بسبب مخاطر مناطق الإشعاع ، والتعامل مع المواد المشعة ، والجداول الزمنية الطويلة المطلوبة للتأثيرات.

تعد إعدادات الفضاء والمفاعلات النووية مثالين على بيئات الإشعاع الشديد هذه. يمكن أن تتعرض مواد الطاقة النووية لنيوترونات عالية الطاقة ، بالإضافة إلى مجموعة من الجسيمات المشحونة عالية الطاقة. وبالمثل ، في التطبيقات الفضائية ، يمكن أن تتعرض المواد لمجموعة متنوعة من الجسيمات المشحونة. يتطلب فهم وتطوير النمذجة التنبؤية لتطور المواد الناتجة من التعرض لهذه البيئات المعقدة والمتطرفة نظرة ثاقبة للآليات الأساسية التي تحدث على المستوى النانوي. في الموقع TEM هي إحدى الأدوات للتحقيق في هذه الآليات النانوية الديناميكية في الوقت الفعلي^4،5.

بدأت تجارب تشعيع الأيونات في الموقع في TEM في عام 1961 مع الانبعاث الصدفي ^{لأيونات} O من خيوط مسدس إلكترون التنغستن^{الملوثة 6}. كان الباحثون في هارويل أول من ربط مسرع الأيونات الثقيل ب TEM للمراقبة المباشرة لتأثيرات الإشعاع الأيوني⁷. في الآونة الأخيرة ، قامت العديد من المرافق بتجميع مجاهر مع مسرعات أيونية متعددة متصلة لتمكين تجارب التشعيع الأيوني متعدد الحزم في الموقع بما في ذلك المعهد الياباني لأبحاث الطاقة^{الذرية 8} ، والمعهد الوطني لعلوم^{المواد 9} ، ومختبر أرغون^{الوطني 10} ، وجامعة هدرسفيلد¹¹ ، وجانوس أورساي¹² ، وجامعة ووهان¹³ ، ومختبرات سانديا الوطنية¹⁴ ، وغيرها¹⁵ بما في ذلك العديد من المرافق قيد التطوير. يمكن استخدام التشعيع الأيوني متعدد الحزم لدراسة التأثيرات التآزرية التي تحدث بسبب توليد الغاز المتزامن وتلف سلسلة الإزاحة في المواد المعرضة لبيئات إشعاعية معقدة. غالبا ما يتم استخدام مراحل TEM ذات درجة الحرارة المرتفعة أو المبردة مع التشعيع متعدد الحزم لتقليد بيئات معينة عن كثب ، حيث تلعب درجة الحرارة دورا مهما في تطور العيوب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مراحل الاختبار الميكانيكي لتحديد دور التأثيرات التآزرية على تغيرات الخصائص الميكانيكية كدالة لجرعة التشعيع.

تم استخدام التشعيع الأيوني كتقنية للشيخوخة المتسارعة لمحاكاة الضرر المتتالي للإزاحة الذرية الذي يحدث أثناء تشعيع النيوترونات في بيئة المفاعل ، حيث يمكن أن توفر هذه التقنية العديد من الأوامر من حيث الحجم معدل ضرر أسرع مع تجنب التنشيط المطول للمادة^{المستهدفة 16}. تسخر منشأة I³TEM في مختبرات سانديا الوطنية نوعين من المسرعات لإتاحة مجموعة واسعة من أنواع الأيونات والطاقات. يتم إنتاج شعاع الأيونات عالي الطاقة بواسطة مسرع ترادفي 6 ميجا فولت ويتم إنتاج أيونات منخفضة الطاقة بواسطة مسرع كولوترون 10 كيلو فولت. تم إنتاج أيونات الاتحاد الأفريقي حتى 100 ميجا فولت في الترادف ، بينما نجح Colutron في تشغيل الأنواع الغازية بما في ذلك H و Deuterium (D) و He و N و Xe^14،17. يمكن استخدام بلازما الغاز المختلطة D₂ و He لإجراء تشعيع أيونات ثلاثي مع شعاع الأيونات الثقيل القادم من الترادف ، وشعاع مختلط D₂ + He قادم من Colutron.

يسمح الإنتاج المتحكم فيه للأيونات بالجرعات الدقيقة للمواد للوصول إلى الضرر المستهدف وتركيز الزرع. عند محاكاة التشعيع النيوتروني مع تشعيع الحزمة الأيونية ، يمكن حساب جرعة الضرر ، في الإزاحة لكل ذرة (dpa). تمثل هذه القيمة متوسط عدد إزاحات الذرة من موقعها الشبكي الأصلي ، وهي ليست هي نفسها تركيز العيب الكلي. يتطلب حساب تركيز العيب الكلي أدوات محاكاة أكثر تقدما مع القدرة على حساب تأثيرات إعادة التركيب. يمكن حساب dpa باستخدام نماذج تلف الإشعاع الأيوني مثل برنامج محاكاة مونت كارلو نطاق إيقاف الأيونات في المادة (SRIM) ¹⁸. يمكن ل SRIM إخراج توزيع الشواغر ، وقوى التوقف ، والنطاقات الأيونية في الهدف بناء على التركيب المستهدف وأنواع الأيونات والطاقة الأيونية. يوفر هذا المعلومات اللازمة لقياس غرس الأيونات ، والأضرار الإشعاعية ، والاخرق ، ونقل الأيونات ، بالإضافة إلى التطبيقات الطبية والبيولوجية.

عند النظر في هذه الأداة للتحقيق في آثار التشعيع ، من المهم تصميم التجربة للاستفادة الكاملة من نقاط القوة في هذه التقنية. يؤدي استخدام تشعيع TEM في الموقع إلى إنشاء سيناريو مثالي لتحديد التطور الديناميكي للعيوب التي تم إنشاؤها في بيئات الإشعاع. في حين أن هذه التقنية توفر نظرة ثاقبة لتطور العيوب بما في ذلك تفاعلات الخطأ / التخلف عن السداد في الحلقة وآليات تحديد حدود العيوب (GB) ، توجد قيود تجريبية كبيرة في مقارنة القياس الكمي للعيب بالإشعاع على نطاق واسع بسبب تأثيرات الأغشية الرقيقة المعروفة بما في ذلك فقدان عيب النقطة ومجموعات العيوب على سطح العينة^19،20.

تقدم هذه المقالة اعتبارات وإجراءات جديدة حول إعداد وتركيب العينات لتجارب TEM متعددة الحزم في الموقع. كما تم وصف اعتبارات التصميم التجريبي بما في ذلك النمذجة والاعتبارات الهندسية الخاصة بمنشأة I³TEM بالإضافة إلى بروتوكول محاذاة الحزمة وتوصيف الحزمة. يتم توفير عرض توضيحي لاستخدام SRIM لحساب الطاقة المطلوبة لعمق معين لزرع الأيونات ، وتوزيع الأيونات وملف تعريف التلف. بينما تم الإبلاغ عن طرق النمذجة^21،22 وبعض طرق تحضير العينات سابقا ، يتم التأكيد هنا على تطبيق هذه المعلومات على التصميم التجريبي. يتم تقديم النتائج التمثيلية من تجارب TEM في الموقع ويتم أيضا وصف تحليل البيانات النموذجي.

البروتوكول

تنبيه: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. أيضا ، أكمل التدريب ذي الصلة واستخدم الاحتياطات المناسبة للمخاطر التي قد تشمل على سبيل المثال لا الحصر المواد الكيميائية المستخدمة ، والجهد العالي ، والفراغ ، والمبردات ، والغازات المضغوطة ، والجسيمات النانوية ، والليزر ، والإشعاع المؤين. ضمان الترخيص والتدريب على استخدام جميع المعدات. يرجى استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة التي تمليها إجراءات التشغيل (جهاز مراقبة الإشعاع ، معدات الحماية الشخصية ، إلخ).

ملاحظة: جميع المعلمات الواردة في هذا البروتوكول صالحة للأدوات والنماذج المشار إليها هنا.

1. التصميم التجريبي للإشعاع الأيوني الموضعي TEM

ملاحظة: هناك العديد من المتغيرات التي يمكن تغييرها مما يؤدي إلى مساحة تجريبية محتملة كبيرة. إن تصميم تجارب منهجية بحيث تجيب على أسئلة علمية محددة سيؤدي إلى أكبر قدر من النجاح. أولا ، اختر الأنواع والطاقات الأيونية المناسبة التي ستصمم النظام المراد محاكاته.

1. اختيار أنواع الأيونات
   ملاحظة: التفاعل الأيوني مع المواد معقد والتفاصيل خارج نطاق هذا المستند. توجد العديد من المنشورات التي توضح بالتفصيل تفاعل الأيونات في المواد الصلبة²³ ، أو بشكل أكثر تحديدا مع المعادن²⁴ ، وأشباه الموصلات²⁵. تتكون بيئات الإشعاع الفضائي من طيف من الطاقات والكتل الأيونية ، والتي يمكن نمذجتها بشكل فعال باستخدام الأيونات الخفيفة والثقيلة. يمكن محاكاة الأنظمة النووية باستخدام مزيج من التشعيع الأيوني الثقيل وزرع الغاز. يحاكي التشعيع الأيوني الثقيل الضرر المتتالي الناجم عن النيوترونات والانشطار عالي الطاقة أو نواتج الاضمحلال الإشعاعي. غالبا ما يتم إنشاؤه في المواد النووية إما عن طريق تفاعلات التحويل أو الاضمحلال الإشعاعي.
   1. اختر عنصرا للزرع ، بناء على الكيمياء ونوع الضرر ومطابقة الطيف النيوتروني. لتقليل التأثيرات الكيميائية بسبب زرع الأيونات ، غالبا ما يتم استخدام تشعيع الأيونات الذاتية ، حيث يكون الأيون المحدد هو نفس المادة المراد فحصها. بدلا من ذلك ، يمكن لدراسات المنشطات اختيار أيونات معينة للزرع. يتم تحديد نوع الضرر من خلال الطاقة الحركية للأيونات ذات الطاقات العالية التي تسبب ضررا أكبر. للحصول على طاقة ثابتة ، يمكن اختيار أيونات الضوء لإنتاج أزواج Frenkel ، والأيونات الثقيلة لشلالات التلف ، والأيونات الأثقل لمسارات الأيونات²⁶.
      1. لمحاكاة تلف النيوترونات ، اختر أيون يطابق إزاحة الذرة الأولية (PKA) مع الطيف النيوتروني ذي الأهمية²⁷.
         ملاحظة: لا تشكل جميع العناصر أيونات سالبة مستقرة مناسبة للاستخدام في المسرعات الترادفية. انظر الشكل 1 للحصول على قائمة بجميع الأيونات التي تم تشغيلها بنجاح في منشأة I³TEM. للحصول على خلفية حول عمليات المسرع وقائمة بعناصر متوافقة مع 6 MV Tandem مع أيونات سالبة مستقرة ، يرجى الرجوع إلى كتاب الطبخ²⁸ لميدلتون.

الشكل 1: تعمل الأيونات حتى الآن (مظللة باللون الأزرق) ، وحالات الشحن ، ونطاقات الطاقة في I³TEM. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. اختيار الطاقة الأيونية باستخدام جداول التوقف والمدى في SRIM
   ملاحظة: توفر جداول التوقف والمدى طريقة سريعة لتحديد عمق تغلغل الأيونات في المادة. تصف قوة التوقف ، dE / dx ، الطاقة (dE) التي يفقدها الأيون لكل وحدة مسافة (dx) مقطوعة في مادة صلبة. تتكون قوة التوقف من مكونين: 1) التوقف النووي ، والطاقة المفقودة بسبب الاصطدامات المرنة مع الذرات المستهدفة ، و 2) التوقف الإلكتروني ، والطاقة المفقودة بسبب التفاعلات مع إلكترونات الذرة المستهدفة. يصف الإجراء التالي تنفيذ جدول SRIM نموذجي.
   1. في برنامج SRIM ، حدد جداول التوقف / النطاق.
   2. حدد الأيون المراد زراعته والمادة المستهدفة. يمكن تحديد عناصر مستهدفة متعددة لهدف مركب.
      ملاحظة: يتم توفير كثافة محسوبة ولكنها عادة ما تكون غير دقيقة للغاية ويجب إدخال القيمة يدويا.
   3. حدد حساب الجدول لرؤية جدول الطاقات الأيونية مقابل النطاق المتوقع ، والتباطؤ الجانبي والطولي في المادة.
      ملاحظة: بالنسبة لتجارب الزرع ، يجب أن يكون نطاق توقف الذروة ضمن سمك الرقاقة.
   4. الطاقات التي تزيد عن 6 ميجافولت ممكنة مع حالات شحن متعددة. حيث يتم تحديد الطاقة الأيونية ، E ، تقريبا من خلال:
      المعادلة (1)
      حيث M₁ هي كتلة الأيون المحدد ، M_T هي الكتلة الكلية للمركب في المصدر (M_T = M₁ لمصادر عنصر واحد) ، q هي حالة الشحن ، V_T هو الجهد الطرفي و V_S هو جهد المصدر.
      ملاحظة: تؤثر حالات الشحنة أيضا على تيار الحزمة ، مما سيؤثر على الطلاقة التي يمكن تحقيقها ووقت التعرض للتجارب (انظر المعادلات 2 ، 3).
3. طلاقة الأيونات واختيار التدفق باستخدام SRIM
   ملاحظة: تحقق من ملف تعريف عمق الاختراق للطاقة المستخدمة في 1.2 باستخدام SRIM. حدد تركيز الأيونات المستهدف (الجرعة ، الطلاقة) أو مستوى الضرر بناء على الأدبيات ذات الصلة. غالبا ما يتم الإبلاغ عن مستوى الضرر في dpa ولا يعكس العدد النهائي للعيوب ، ولكنه متوسط عدد الإزاحة دون حساب إبادة العيوب على الأسطح الحرة أو إعادة التركيب. يمكن تطبيق الظروف البيئية الأخرى مثل درجة الحرارة أو الحمل الميكانيكي في وقت واحد. قد تؤثر هذه على الضرر وآليات تطور البنية المجهرية ويجب أخذها في الاعتبار. فيما يلي وصف لكيفية استخدام SRIM لحساب الضرر أو الطلاقة. هناك طرق بديلة لحساب الضرر²²، ولكن الطريقة الموصوفة تستخدم على نطاق واسع وتعتبر أبسط وأسرع. يوصى بشدة باتباع هذه الإرشادات لظروف الإشعاع ذات الصلة ، والأهم من ذلك تسجيل معلمات المحاكاة والإبلاغ عنها حتى يمكن استنساخها.
   1. في برنامج SRIM ، حدد الأيون المراد زرعه والمادة المستهدفة. يمكن تحديد عناصر مستهدفة متعددة لهدف مركب. يتم توفير كثافة محسوبة ولكنها عادة ما تكون غير دقيقة للغاية ويجب إدخال القيمة يدويا.
   2. حدد نوع حساب TRIM: "توزيع الأيونات والحساب السريع للضرر" ونموذج الضرر "سريع K-P".
      ملاحظة: توفر طريقة vacancy.txt تقريبا سريعا لملف تعريف الضرر الكافي للتخطيط لمعظم تجارب I³TEM. يوضح Stoller et ^al.21 بالتفصيل كيفية استخدام SRIM لتنفيذ معادلة Kinchin-Pease السريعة لتحديد dpa لكل أيون لكل منطقة في الأنظمة المعدنية. هناك حجج متنافسة لاستخدام خيارات "K-P السريع" مقابل "الشلال الكامل"^21،22 ، خاصة في المركبات الأيونية التي تحتوي على عناصر ذات طاقات إزاحة عتبة مختلفة. يوصي المؤلفون بالبحث في كل من هذه الطرق لتحديد طريقة الحساب الأنسب للإبلاغ عن dpa النهائي في المنشورات ، اعتمادا على نوع العينة المحدد والتصميم التجريبي.
   3. اضبط سمك الطبقة بنفس سماكة عينة TEM (10-150 نانومتر).
      ملاحظة: سيقوم البرنامج تلقائيا بتقسيم العمق إلى 100 صندوق متساوي الحجم ، لذا فإن اختيار سمك أكبر سيؤدي إلى تجميع أقل دقة.
   4. اضبط زاوية حدوث الأيونات لتتناسب مع الظروف التجريبية (عادة 60 درجة من المعدل الطبيعي).
      ملاحظة: يكون الشعاع الأيوني طبيعيا تقريبا لشعاع الإلكترون في TEM وعادة ما تميل العينة نحو الحزمة الأيونية بمقدار 30 درجة. انظر القسمين 3 و4 للاطلاع على مخططات التكوين التجريبية.
   5. اختر طاقة إزاحة عتبة من مصدر أدب حسن السمعة ، مثل ASTM E521²⁹. اضبط الشبكة والطاقة السطحية على الصفر.
      ملاحظة: المنشورات حول كل من النمذجة³⁰ والعمل التجريبي³¹ تقدم طاقات إزاحة العتبة على مواد مختلفة. تعتبر الشبكة الصفرية والطاقة السطحية مناسبة لمعظم الظروف ، ولكن في حالات خاصة ، قد يلزم توفير قيمة²¹.
   6. قم بتشغيل المحاكاة.
   7. تحقق من ملف VACANCY.txt بحثا عن أحداث الضرر كدالة للعمق ، سواء الشواغر من قبل IONS أو الشاغرات بواسطة RECOILS لكل عمق. يمكن استيراد هذا الملف إلى جدول بيانات.
      ملاحظة: قد لا يكون استخدام ملف vacancy.txt هو الطريقة الأكثر دقة لحساب جرعة الضرر ويجب اعتباره تقريبا^{سريعا 21}.
   8. تحويل الوحدات من (الإزاحة / الأيون-Å) إلى (الإزاحة / أيون · سم). ثم استخدم طلاقة الأيونات المقاسة لتحديد dpa أو تحديد الطلاقة الأيونية اللازمة ل dpa المطلوب (المعادلة 2 ، انظر القسم 3.1.5 و 3.2.5 لمعرفة كيفية قياس الطلاقة). إذا كان معدل الضرر (dpa / s) مطلوبا ، فاستبدل التدفق (الأيونات / سم^2-s) بالطلاقة.
      المعادلة (2)
   9. احسب وقت التعرض اللازم لطلاقة الهدف.
      ملاحظة: فيما يلي العلاقات بين هذه القيم حيث e هي شحنة الإلكترون و C هي كولوم (المعادلة 3). تتراوح بعض التجارب على مدى عدة عقود من الطلاقة وبالتالي نطاق متناسب من الأوقات مع تدفق معين. بالنسبة للتجارب عالية الطلاقة ، فإن الحد الأقصى للتدفق مطلوب لتقليل وقت التجربة²⁴. نظرا للسرعة المحدودة لصمامات البوابة ومشغل كأس فاراداي ، فإن الطلاقة المنخفضة تتطلب تدفقا أقل بحيث يمكن تحقيق وقت التعرض بدقة كافية: على مقياس الثواني. يمكن أن يؤدي تيار الشعاع العالي إلى تسخين محلي للعينة مما قد يغير خصائص الانتشار والتطور المجهري المرصود. في التجارب التي تستخدم تيار الشعاع العالي ، يجب تبريد العينة إلى درجة حرارة الغرفة ومراقبة درجة الحرارة بالمزدوجات الحرارية أثناء التشعيع.
      (المعادلة 3)
4. اختيار مرحلة TEM
   ملاحظة: يمكن إجراء تجارب بسيطة للتشعيع الأيوني على حامل إمالة واحد. اعتمادا على النظام المادي والخصائص ذات الأهمية ، قد تكون مجموعة متنوعة من الحائذين مناسبين. من الممكن الجمع بين مجموعة متنوعة من مكونات البيئة القاسية في وقت واحد مع التشعيع الأيوني بما في ذلك ظروف مثل درجة الحرارة والغاز أو البيئة السائلة والإجهاد الميكانيكي.
   1. ضع في اعتبارك استخدام حوامل التبريد أو التدفئة. تلعب درجة الحرارة دورا مهما في انتشار الذرات. يمكن أن تؤثر درجة حرارة الزرع على نوع الضرر وشدته. يمكن اختيار حاملات التبريد أو حوامل التدفئة للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة. حافظ على درجة حرارة الغرفة باستخدام حامل التدفئة الذي يعمل بالماء المبرد.
      ملاحظة: بالنسبة للتجارب ذات درجات الحرارة العالية ، يجب تركيب العينات على شبكة Mo أو شبكات أخرى مستقرة حراريا.
   2. ضع في اعتبارك استخدام حاملات الإمالة المزدوجة أو التصوير المقطعي. يمكن أن يكون الاتجاه البلوري مهما للفهم وهو ضروري للحصول على شرطين من الحزمة يفضيان إلى تحديد حلقات الخلع أو كثافة البقع السوداء. يمكن استخدام حاملات الإمالة المزدوجة أو التصوير المقطعي لهذه الحالات. سيكون هذا مفيدا أيضا لفحص تغيرات الطور الناجم عن الإشعاع.
   3. ضع في اعتبارك استخدام حاملي البيئة لتعريض المادة للغاز أو السائل في الموقع. يختلف إعداد العينة لهذا النوع من التجارب ، ويمكن أن يكون صعبا للغاية ، ويتجاوز نطاق هذه^{الوثيقة 32}.
   4. ضع في اعتبارك استخدام المراحل المتخصصة للاختبار الميكانيكي بما في ذلك التوتر والضغط والانحناء والتعب والزحف.
      ملاحظة: مطلوب إعداد عينة محددة لهذه الأنواع من التجارب وهو خارج نطاق هذه^{الوثيقة 33،34،35،36}. الآن بعد أن تم تحديد أنواع الأيونات والطاقة الأيونية والطلاقة المستهدفة ، وتم النظر في حاملين محددين للتعقيد البيئي الإضافي ، فإن الخطوة التالية في تصميم تجارب التشعيع الأيوني هي إعداد عينات ل TEM. مطلوب التحضير الدقيق للعينة لتلبية القيود الهندسية لتجارب TEM للإشعاع الأيوني في الموقع. يتم وصف العديد من طرق تحضير العينات أدناه.

2. تحضير عينة رقيقة وتركيبها على شبكة TEM

ملاحظة: هناك العديد من الطرق لإعداد عينة ل TEM. تعتمد الطريقة الأنسب على بدء هندسة العينة والمواد والميزات ذات الأهمية. للحصول على قائمة شاملة وأوصاف طرق التحضير ، يرجى الرجوع إلى كتيب إعداد العينات ل TEM³⁷. فيما يلي وصف ثلاث طرق شائعة. بالنسبة للمواد المغناطيسية ، يجب تطبيق طريقة الترابط حتى لا تنفجر الأغشية أو الجسيمات عند تعرضها للمجال المغناطيسي في TEM. يجب تجنب الركائز العازلة (أي الأكاسيد) لتقليل الطرد الكهروستاتيكي بسبب الشحنة المستحثة بحزمة الأيونات.

1. إسقاط صب الجسيمات النانوية
   ملاحظة: هذه هي الطريقة الأكثر مباشرة لتحضير عينة TEM للجسيمات النانوية التي يقل قطرها عن 200 نانومتر. يمكن استخدام العديد من مواد الدعم المختلفة بما في ذلك أغشية الكربون والبوليمر والسيليكون نيتريد السيليكون. قد تتفاعل هذه المواد بشكل مختلف مع الجسيمات النانوية بسبب تفاعلات الترابط. حدد الركيزة التي ينتج عنها جسيمات نانوية مشتتة جيدا.
   1. قم بتفريق جزيئات النانو في مذيب مثل الكحول أو الماء منزوع الأيونات أو أي مزيج آخر حتى تمتزج جيدا. يمكن استخدام صوتنة لتفكيك التكتلات الإضافية. يمكن استخدام تركيز السائل للتحكم في كثافة الجسيمات النانوية على الشبكة.
   2. استخدم ماصة لترسيب الجسيمات المتناثرة على الجانب العلوي من شبكة TEM المدعومة.
      ملاحظة: تأكد من أن جانب الدعم من الشبكة متجها لأعلى ، بحيث تلتصق الجسيمات النانوية بالجانب العلوي من الشبكة. من الممكن الاستفادة من التأثير الشعري الذي يسحب الجسيمات النانوية أثناء جفاف القطرة. سيؤدي الانخفاض خارج المركز إلى انخفاض كثافة الجسيمات النانوية في منطقة التشعيع المركزية.
2. غشاء رقيق يطفو قبالة
   ملاحظة: تتطلب هذه الطريقة فيلما رقيقا (<100 نانومتر) يتم ترسيبه على ركيزة قابلة للذوبان مثل الملح أو مقاومة الضوء. يتم شق جزء صغير من العينة ووضعه في مذيب. عندما تذوب الركيزة في المذيب ، ينفصل الفيلم الرقيق عن الركيزة ويطفو على سطح المحلول حيث يمكن وضعه على شبكة TEM.
   1. تحضير 50 مل من محلول المذيبات في طبق بتري.
      ملاحظة: يعتمد المذيب على الركيزة للغشاء الرقيق. ركائز كلوريد الصوديوم شائعة مع كون الماء هو المذيب. يمكن إضافة الكحول إلى المحلول لتغيير التوتر السطحي. غالبا ما يتسبب الكثير من الكحول في غرق العينة ، وسيؤدي القليل جدا من الكحول إلى زيادة التوتر السطحي مما يجعل من الصعب نقل الفيلم إلى الشبكة.
   2. قم بشق أو قطع الركيزة إلى أقسام بحجم 1.5 مم × 1.5 مم تقريبا.
      ملاحظة: عادة ما تكون حواف الفيلم أقل جودة ويجب تجنبها عندما يكون ذلك ممكنا.
   3. باستخدام الملقط ، أدخل الركيزة ، بحيث يكون الفيلم متجها لأعلى ، في المحلول بزاوية سقوط تبلغ حوالي 30 درجة (الشكل 2 أ). قم بالتراجع وإدخاله بشكل متكرر حتى يطفو الفيلم بحرية (الشكل 2ب ، ج). يمكن وضع الركيزة جانبا.
   4. أدخل شبكة TEM في المحلول واضع الفيلم أدناه. ارفع الشبكة ببطء أسفل الفيلم حتى يتمركز الفيلم فوق الشبكة. ارفع الشبكة بسرعة من المحلول وسيعلق الفيلم (الشكل 2 د).
      ملاحظة: إذا لم يكن الفيلم متمركزا جيدا ، فأعد إدخال الشبكة والفيلم في المحلول لإعادة تعويم الفيلم والوسط حسب الضرورة. اعلم أن الفيلم يمكن أن يطوى على نفسه.

الشكل 2: تعويم الأغشية الرقيقة. يظهر التخطيطي (أ) إدخال جزء من الأغشية الرقيقة ، المودعة على الركيزة القابلة للذوبان ، في محلول مذيب ، (ب) عرض مقطعي ليطفو من الطبقة الرقيقة عن طريق إذابة طبقة الالتصاق للركيزة ، (ج) عرض مقطعي للأغشية الرقيقة الخالية من الطفو على المحلول عن طريق التوتر السطحي ، و (د) استخدام شبكة TEM لرفع الفيلم من المحلول. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. طحن شعاع الأيونات المركز
   ملاحظة: يمكن تحضير معظم المواد السائبة عن طريق طحن الحزمة الأيونية المركزة (FIB) ويمكن العثور على المعلومات التي توضح بالتفصيل هذه العملية في كتيب إعداد عينة TEM³⁷. يعد طحن FIB عملية تستغرق وقتا طويلا ومتضمنة مقارنة بالطرق المذكورة سابقا ولكنها قصيرة جدا وسهلة مقارنة بطرق التلميع اليدوي التقليدية لتحضير عينات TEM من العينات السائبة. كما أن لديها ميزة درجة عالية من التحكم في الموقع مما يسمح باختيار منطقة الاهتمام للتحقيق فيها ، مثل الحدود أو العيوب. تحتوي الرقائق التي ينتجها FIB على تلف إشعاع أيوني متبقي ناتج عن عملية طحن الحزمة الأيونية التي من شأنها أن تعقيد التقدير الكمي للضرر الناجم عن التشعيع في الموقع³⁸.
   1. جهز المصعد. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من استراتيجيات الرفع لإنتاج رقائق TEM الخاصة بالموقع بأشكال هندسية مختلفة. للحصول على طرق مفصلة ، يرجى الرجوع إلى المنشورات الخاصة بإعداد العينات في الأشكال الهندسية مثل: المقطع^{العرضي 39} ، عرض^{الخطة 40} ، أطراف الكراك⁴¹ ، الأعمدة النانوية⁴² ، إبر المسبار الذري⁴³ ، إلخ.
   2. قم بتركيب الرقاقة. يمكن وضع مصاعد خارج الموقع أعلى شبكة TEM بشكل مشابه للأغشية الرقيقة (الشكل 3 أ). بالنسبة للعينات الملحومة بشبكة ، يجب لحام الرقاقة على طرف عمود على وجه الشبكة لتجنب تأثيرات التظليل (الشكل 3 ب). تجنب التركيب في أعمدة V (الشكل 3 ب: اليسار واليمين).
   3. قم بتلميع نهائي للصفائح. سيؤدي ترقق FIB القياسي إلى تلف الحزمة الأيونية للعينة. يمكن تقليل هذا الضرر عن طريق التلميع المتدفق بزاوية خاطفة صغيرة جدا وعن طريق الطحن اللطيف بجهد متسارع منخفض. تشمل بدائل التخفيف النهائي التقليدي عبر شعاع أيون Ga ⁺ التلميع الكهربائي^{بالفلاش 44،45} والطحن الأيوني باستخدام Ar ^{+ 46}.
4. تلميع كهربائي
   ملاحظة: غالبا ما تكون هذه هي الطريقة الأكثر تفضيلا لإعداد عينات معدنية أحادية الطور لتجارب تشعيع شعاع الأيونات في الموقع من المواد السائبة. يتجنب الضرر الناجم عن طحن FIB وتقنيات التلميع التقليدية. ومع ذلك ، فإن محلول الإلكتروليت ، والإمكانات الكهربائية ، ووقت التلميع هي مواد خاصة وقد يكون من الصعب تحديد هذه المعلمات.

الشكل 3: رسم تخطيطي يوضح شبكات TEM مع عينات مثبتة على الوجه العلوي لمنع التظليل. شبكة مع الكربون المزركش أو الأغشية الرقيقة (أ) ، شبكة نصف القمر مع رفع FIB ملحومة إلى الطرف (ب). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

3. ظروف الشعاع الأيوني والمحاذاة

1. مسرع ترادفي
   ملاحظة: المسرع الترادفي هو الأنسب للأيونات عالية الطاقة 800 كيلو فولت - 100 ميجا إلكترون فولت. كثيرا ما تستخدم مصادر الأيونات السالبة عن طريق رش السيزيوم (SNICS) لإنتاج حزم أيونات معدنية نشطة ويكون تشغيلها خارج نطاق هذه^{الوثيقة 28}. فيما يلي وصف للتعديلات والاعتبارات الخاصة بتجارب TEM في الموقع.
   1. قم بمحاذاة الحزمة الأيونية داخل TEM مع مغناطيس التوجيه ومغناطيس الانحناء والعدسات بحيث يمكن ملاحظة أحداث التشعيع في الموقع. قم بإجراء محاذاة نهائية للحزمة الأيونية باستخدام كاميرا لعرض التلألؤ المستحث بالحزمة الأيونية (IBIL) على حامل عينة TEM ذو رؤوس الكوارتز.
      1. قم بمحاذاة الحزمة الأيونية لتكون متزامنة مع تلألؤ الكاثودولي الناتج عن شعاع الإلكترون مع مطابقة قوة العدسة الموضوعية لشعاع الإلكترون المستخدمة في التجربة.
   2. أدخل كوب فاراداي في اتجاه المنبع من TEM لالتقاط شعاع الأيونات، وقم بقراءة لقياس تيار الحزمة. قياسات تيار الحزمة ضرورية لحساب الطلاقة (المعادلة 3).
      1. لمزيد من الدقة في قياس تيار الحزمة ، أدخل حامل TEM مزودا بمرحلة فاراداي لقياس تيار الحزمة الأيونية في منطقة عينة TEM.
      2. إذا كان التيار بحاجة إلى المراقبة في الوقت الفعلي، فاستخدم جهاز مراقبة ملف تعريف الحزمة (BPM). قم بتشغيل BPM ثم راقب قراءة راسم الذبذبات لإجراء القياسات الحالية. يعمل BPM عن طريق تقطيع الحزمة بانتظام مما يؤدي إلى تشويه زمني للحزمة وهو مقياس نوعي لتيار الحزمة.
         ملاحظة: يمكن أن ينجرف تيار الحزمة الأيونية ، لذا ينصح بالتحقق من ثباته طوال التجربة.
   3. قم بقياس مساحة الشعاع باستخدام بقعة الاحتراق. يمكن استخدام بقع الاحتراق لتأكيد المحاذاة في 3.1.1.
      1. قم بتركيب قطعة من الشريط اللاصق الشفاف على طرف لوحة مسطحة لحامل عينة TEM أحادي الإمالة وقم بتعريضه لشعاع الإلكترون وشعاع الأيونات. قم بإزالة الشريط وضعه على خلفية بيضاء.
      2. لتحديد المنطقة ، قم بتصوير بقعة الاحتراق باستخدام مسطرة واستيرادها إلى برنامج معالجة الصور مثل ImageJ⁴⁷. جنبا إلى جنب مع تيار الحزمة ، يمكن استخدام قياس مساحة الحزمة لتحديد تدفق الأيونات (المعادلة 2).
   4. أدخل عينة معايرة لتصور تلف الحزمة ، والذي يجب أن يظهر كتباين بقعة سوداء في ظروف تصوير المجال الساطع الحركي. عادة ، يتم اختيار Au أو CuAu نظرا لتكوين البقع السوداء الظاهرة بسهولة وسهولة تحضير^{العينة 48}.
2. مسرع Colutron
   ملاحظة: يستخدم مسرع Colutron مصدر أيون خيوط ساخن يتم تغذيته بالغاز⁴⁹. من الممكن تسريع أنواع الغاز المتعددة في وقت واحد ، ومع ذلك ، يجب أن تكون نسبة الكتلة إلى الشحن لنوعي الأيونات متساوية حتى يعمل مغناطيس الانحناء والتوجيه والعدسات بشكل متماثل. على سبيل المثال ، ⁴هو²⁺ و ²د¹⁺.
   1. قم بإجراء حسابات SRIM كما هو موضح في القسم 1.2 للحصول على طاقة زرع الغاز المطلوبة.
      ملاحظة: تعتمد قوة مغناطيس الانحناء اللازمة على كتلة الأيونات وحالة شحنته وجهد التسارع. إذا كان نوع الغاز يحتوي على نظائر متعددة ، فإن اختيار النوع الأكثر وفرة سيؤدي إلى أعلى تيار شعاع. لاحظ أيضا أنه إذا كان الترادف نشطا ، فإن مغناطيس الانحناء هذا سيعمل أيضا على شعاعه. يجب أن تأتي التصحيحات الإضافية للترادف بعد محاذاة شعاع Colutron.
   2. قم بتوجيه الحزمة الأيونية بحيث تتزامن مع حزمة الإلكترون ، كما هو موضح في الخطوة 3.1.1.
   3. قم بقياس تيار الحزمة كما هو موضح في الخطوة 3.1.2.
   4. تقدير مساحة الحزمة باستخدام بقعة الاحتراق، كما هو موضح في الخطوة 3.1.3.
      ملاحظة: يمكن تنفيذ هذه الخطوة في وقت واحد مع قياس الحزمة الأيونية من دواسة الوقود الترادفية. ومع ذلك ، إذا كان تيار الحزمة من مسرع Colutron مرتفعا جدا مقارنة بالحزمة من الترادف (> 3 أوامر من حيث الحجم) ، فسوف يغطي الإشارة ويجب إجراء القياسات بشكل منفصل.
   5. قم بإجراء التعديلات النهائية لتوجيه الحزمة إلى عينة TEM كما هو موضح في الخطوة 3.1.4.

4. ظروف التحميل والتصوير TEM

الشكل 4: ظروف التحميل والتصوير TEM. منظر علوي لحامل TEM مع اتجاه شعاع الإلكترون إلى الصفحة مع إمالة الحامل بزاوية 30 درجة في موجب X (a) وسالب X (c). عرض مقطعي أسفل محور الحامل مع شعاع الإلكترون (الأخضر) والشعاع الأيوني (الأزرق) مظلل مع حامل مائل 30 درجة في موجب X (b) وسالب X (d) لإضاءة الجانب السفلي للحزمة الأيونية. المنطقة المميزة حيث لا يتم تظليل كل من شعاع الإلكترون والحزمة الأيونية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

1. تحميل العينات والمخاوف الهندسية
   1. قم بتحميل الشبكة على الحامل بحيث يكون جانب العينة من الشبكة متجها لأعلى ويتم توجيه الشبكة لمنع تأثيرات التظليل عند عنوانها باتجاه شعاع الأيونات (الشكل 4أ ، ج).
      ملاحظة: يصور الشكل 4ب ، د مخططا لمسار الحزم الأيونية ومسار شعاع الإلكترون في تكوين التشعيع حيث يتم تمييز المنطقة التجريبية الفعالة.
   2. تحقق من وجود تأثيرات التظليل باستخدام المجهر البصري. قم بإمالة الحامل بزاوية 30 درجة في الاتجاه X الموجب كما هو موضح في الشكل 4أ ، ب. سيكون المنظر العلوي موازيا لعرض شعاع الإلكترون. قم بإمالة الحامل بزاوية 60 درجة في الاتجاه السالب X حيث سيكون العرض العلوي موازيا لعرض الحزمة الأيونية. إذا كانت منطقة اهتمام العينة غير مرئية في كلا الاتجاهين ، فهناك مشكلة في التظليل ويجب نقل العينة.
      ملاحظة: بالنسبة لبعض الحوامل ، فإن الجزء السفلي من المرحلة به مشكلات أقل في التظليل ، وبالتالي فإن الإمالة إلى سالب 30 درجة بحيث يضرب شعاع الأيونات الجانب السفلي من العينة قد يكون مثاليا (الشكل 4 د).
   3. قم بتركيب العينة على حامل TEM باتباع إرشادات الشركة المصنعة للحامل المحدد. قم بتحميل الحامل في TEM لبدء دورة المضخة. انتظر حتى يستقر الفراغ وأدخل الحامل.
      ملاحظة: عند تحميل وتفريغ حوامل في TEM، يجب إغلاق الصمام الموجود في خط الشعاع لمنع أي حوادث فراغ ناتجة عن التحميل في TEM من التأثير على خط الحزمة.
   4. في برنامج التحكم TEM، قم بتحميل أحدث ملف محاذاة للجهد المتسارع المستخدم. قم بتنقيح محاذاة عدسة المكثف وفتحة العدسة وإمالة البندقية وإزاحتها والعدسة الموضوعية يدويا.
   5. ابحث عن منطقة اهتمام العينة واضبط ظروف التصوير كما هو موضح من قبل Jenkins و Kirk⁵⁰ لنوع التحليل الذي سيتم إجراؤه. استخدم الظروف الحركية للمجال الساطع لتصوير أحداث التلف.
      ملاحظة: بالنسبة للمواد ذات الرقم Z العالي مثل التنغستن، قد يتم تعشيق عدسة مكثفة إضافية للحصول على سطوع إضافي.
      ملاحظة: يمكن إزاحة المواد منخفضة Z بواسطة إلكترونات عالية الطاقة مما يؤدي إلى تلف غير مباشر من شعاع الإلكترون قد يؤدي إلى إحداث الضرر الناجم عن الأيونات⁵¹. سيساعد استخدام شعاع إلكتروني منخفض الجرعة والحد من التعرض للعينة بالإضافة إلى استخدام مسح TEM لوقت السكون المنخفض في التخفيف من ذلك.
   6. قم بإمالة الحامل إلى أقصى مسافة آمنة (30 درجة لمعظم الحوامل) حتى 81 درجة باتجاه الحزمة الأيونية.
   7. قم بتطبيق أي ضغوطات إضافية مثل التدفئة والتبريد والبيئة والميكانيكية وما إلى ذلك باستخدام الإجراءات الموصى بها من الشركة المصنعة والخاصة بحامل TEM المختار.
      ملاحظة: بالنسبة لأعمال التكبير العالي ، اترك وقتا حتى تستقر المرحلة بحيث لا يكون الانجراف كبيرا. قد تتسبب الضغوطات المطبقة في تشوه العينة أيضا.
   8. افتح صمام شعاع الأيونات TEM وقم بإزالة كوب فاراداي لتعريض العينة التجريبية للإشعاع الأيوني. أوقف التعرض مؤقتا عن طريق إدخال كوب فاراداي وإغلاق الصمامات في خط الشعاع. يجب إدخال كوب فاراداي قبل إغلاق صمام TEM لمنع تلف الصمام.
      ملاحظة: يجب مراقبة ضغط البندقية في TEM بحيث لا يتجاوز العتبة المحددة من قبل الشركة المصنعة لمستويات التشغيل الآمنة. قد يكون من الضروري إيقاف التعرض للسماح للفراغ بالتعافي إذا كانت العينة أو المرحلة تنتج غازات كبيرة أثناء التعرض للحزمة الأيونية.
   9. سجل الصور أو مقاطع الفيديو لتوثيق تطور البنية المجهرية.
2. أوضاع تصوير إضافية
   1. لرسم خريطة للاتجاهات النسبية للحبيبات ، استخدم رسم خرائط الاتجاه البلوري الآلي (ACOM) ، وهي تقنية تسمح بتحديد الاتجاه البلوري لجميع البلورات ذات الأحجام المنخفضة التي تصل إلى 10 نانومتر. تعمل أنظمة البرمجيات على أتمتة مجموعة أنماط الحيود باستخدام حزمة مسبقة يتم فهرستها مما ينتج عنه خريطة اتجاه⁵².
   2. بالنسبة للأحداث فائقة السرعة ، استخدم العاكس عالي السرعة. إنها عدسة مغناطيسية تقوم بتحويل الإلكترونات المسقطة إلى أرباع مختلفة من الكاميرا بمعدلات عالية مما يزيد بشكل فعال من وقت الإطار بترتيب من حيث الحجم. يمكن استخدامه لالتقاط الأحداث التي تحدث في مقياس الزمن ميكروثاني في إطار واحد⁵³.
   3. قم بإجراء التصوير المقطعي الإلكتروني عن طريق التقاط سلسلة إمالة للعينة ثم قم بإجراء إعادة البناء باستخدام البرنامج. يكشف هذا عن الهيكل ثلاثي الأبعاد للعينة ويمكن استخدامه لتحليل التوزيعات الحجمية⁵⁴.
   4. قم بإجراء قياسات التصوير المجسم الإلكتروني عن طريق التقاط سلسلة من خلال التركيز. يمكن استخدام هذا القياس للتمييز بين الفراغات والفقاعات والجسيمات النانوية⁵⁵.
   5. استخدم المجال المظلم الضعيف لعرض الاضطرابات والأضرار الناجمة عن شعاع الأيونات. يتم استخدام حالة الحزمة ثنائية الحزمة لبلورة واحدة لقياس شخصية الخلع والكثافة⁵⁰.

النتائج

تم إجراء تجارب TEM للإشعاع الأيوني الموضعي على العديد من أنظمة المواد وبعدة طرق مختلفة لتحضير ^{العينة 14،32،56،57،58،59،60،61،62،63،64،65،66،67 ، 68،69،70 ، 71،72،73،74،75}. فيما يلي بعض الأنظمة المختارة التي توضح هذا التنوع. تشمل طرق تحضير العينات صب الجسيمات النانوية ، وطفو الأغشية الرقيقة ، ورفع FIB المقطعي على شبكة نصف القمر ، ورقائق الدفع للسحب ، والأعمدة النانوية.

تم تسليط الضوء هنا على تجربة حول تأثيرات ضربات الأيونات المفردة على الجسيمات النانوية Au (NPs) ⁶⁰. تم التحكم في كثافة عدد الجسيمات في نافذة التشعيع من خلال الاستفادة من القوى الشعرية التي تسحب NPs مع جفاف القطرة. من خلال الهبوط من المركز ، تسحب القطرة NPs باتجاه حافة القرص أثناء جفافها. يمكن تسليط الضوء على الآليات النشطة للضرر من خلال أخذ الفرق قبل وبعد الحدث (الشكل 5). تكشف القياسات عن العديد من آليات الضرر الناجم عن تشعيع الأيونات الذاتية المفردة بما في ذلك تكوين الحفر السطحية ، والاخرق ، وتكوين الخيوط ، وتجزئة الجسيمات حيث تعتمد أنواع الضرر على الطاقة الأيونية. يظهر تكوين الخيوط في الطاقات الأيونية المنخفضة ، بينما لوحظ فوهة البركان والاخرق وتجزئة الجسيمات عند الطاقات الأيونية العالية. يمكن استخدام أنظمة الطاقة المختلفة هذه للتحقيق في آثار قوى التوقف الإلكترونية والنووية.

الشكل 5: تأثيرات أيونات مفردة 46 كيلو فولت في NPs ذات الحجم المتناقص. لاحظ أن التكبير مشابه لجميع الصور المجهرية. يتم فصل كل زوج من الصور المجهرية بإطار واحد ، حوالي 0.25 ثانية هنا. (أ - ج) أدت ضربة أيونية واحدة في 60 نانومتر NP إلى إنشاء فوهة سطحية ، تتميز بالسهم الأبيض. اللوحة (ج) تبين صورة الفرق التي تبرز التغيير بين (أ) و(ب)؛ المعالم الموجودة فقط في (أ) مظلمة وتظهر الميزات المشكلة حديثا الموجودة فقط في (ب) بالضوء. (د-و) أيون واحد يخلق حفرة في 20 نانومتر NP. توضح اللوحة (و) صورة الفرق بين (د) و(ه). تم تعديل هذا الرقم بإذن من مطبعة جامعة كامبريدج⁶⁰. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم تحضير الأغشية الرقيقة النانوية البلورية من Au لتجارب TEM متعددة الحزم في الموقع. تم ترسيب العينات عن طريق ترسيب الليزر النبضي على ركائز كلوريد الصوديوم ثم تطفو في الماء منزوع الأيونات على شبكات Mo TEM. تم تلدين العينات في فرن تفريغ عند 300 درجة مئوية لمدة 12 ساعة لإرخاء الهيكل النانوي القابل للترسيب مما ينتج عنه ذهب متعدد الكريستالات بحجم حبيبات متناهية الصغر.

في هذه الدراسة ، يتم استخدام أيونات 2.8 MeV Au⁴⁺ لمحاكاة التشعيع النيوتروني. يتم اختيار الطاقة بناء على نمذجة SRIM لإحداث ذروة ضرر داخل سمك الفيلم (الشكل 6 أ). يحاكي 10 كيلو فولت المتزامن He⁺ إنتاج α الجسيمات من التفاعلات النووية الناجمة عن الإشعاع النيوتروني. يتم اختيار طاقة أيون He بحيث يتم زرع الأيونات داخل سمك الرقاقة بدلا من المرور (الشكل 6 ب).

الشكل 6: نمذجة SRIM. قام SRIM بحساب (أ) الإزاحة و (ب) ملامح التركيز كدالة لعمق Au المشع بأنواع أيونات مختلفة. يشار إلى الملف الشخصي الكلي ل dpa (D + He + Au) بواسطة النجوم الأرجوانية في (أ). خطوط الملاءمة هي أدلة للعين. تم تعديل هذا الرقم بإذن من MDPI¹⁷. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ثم تم تشعيع المادة بواسطة أيونات الاتحاد الأفريقي ولوحظ تلف فيما يتعلق بالطلاقة. طورت البنية المجهرية عيوبا ناتجة عن أيونات الطاقة العالية (الشكل 7). مع زيادة وقت التعرض وبالتالي الطلاقة ، زاد الضرر خطيا. عند الجرعات العالية ، يكون تركيز مواقع الضرر مرتفعا جدا بحيث لا يمكن تحديده بشكل موثوق.

الشكل 7: صور TEM تظهر بقع التلف. صور TEM من التشعيع في الموقع 2.8 MeV Au⁴⁺ في رقائق Au باستخدام معدلات جرعة 9.69 × 10¹⁰ (a-c) و 9.38 × 10⁸ أيونات / سم² ثانية (e-g) ، بطلاقات 4.85 × 10^{8 و} 1.45 × 10¹² و 3.39 × 10¹² أيون /^{سم 2}. (د ، ح) تظهر زيادات خطية في عدد نقاط الضرر بمرور الوقت. تم التقاط جميع صور TEM بنفس التكبير. تم تعديل هذا الرقم بإذن من MDPI¹⁷. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاستكشاف تأثيرات الحزم المتعددة التي تتفاعل مع المادة في نفس الوقت ، يتم بعد ذلك إجراء تشعيع شعاع أيوني مزدوج وثلاثي على Au (الشكل 8). يتم قياس تنوي التجويف والنمو والتطور.

الشكل 8: صور TEM في الموقع توضح نمو التجويف. تظهر صور TEM في الموقع نمو التجويف كدالة للوقت بسبب (a-d) تشعيع الأيونات المزدوجة مع 5 keV D + 1.7 MeV Au وتكوين التجويف وانهيار كدالة للوقت بسبب (e-h) تشعيع الأيونات الثلاثي مع 10 كيلو فولت He و 5 كيلو فولت د و 2.8 ميجا فولت الاتحاد الافريقي. تسلط الدوائر المتقطعة الضوء على تجويف الاهتمام في كل صورة. تم تعديل هذا الرقم بإذن من MDPI¹⁷. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاستكشاف الزحف الناجم عن التشعيع في Zr ، تم تصنيع جهاز النظام الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) عن طريق ترسيب الأغشية الرقيقة Zr على رقائق عازلة من السيليكون متبوعة بالزخرفة الحجرية الضوئية والنقش الأيوني التفاعلي العميق اللاحق. يوضح الشكل 9 عينة Zr القائمة بذاتها وإطار اختبار الدفع إلى السحب Si الذي يتيح اختبار الشد في الموقع. تم استخدام أيونات 1.4 MeV Zr لإشعاع العينة تحت الحمل لتحديد استجابة زحف التشعيع في Zr. من خلال إجراء التجربة في TEM ، يمكن ملاحظة الآليات الديناميكية على المستوى النانوي. تكشف القياسات عن تغيير في الملمس بالإضافة إلى إطالة العينة. لم يكن من المتوقع حدوث تورم حجمي بسبب هندسة عينة الرقائق الرقيقة ، وظروف درجة حرارة الغرفة ، والمستويات المنخفضة من تلف التشعيع. ويؤكد ذلك عدم وجود تكوين فقاعة وتجويف ملحوظ.

الشكل 9: الاختبار الميكانيكي في الموقع. (أ) صورة التسويق بالتحليل الحر لجهاز الدفع للسحب مع تمييز موقع عينة الشد Zr. (ب) صورة TEM منخفضة التكبير للجهاز من (أ). (ج) صورة TEM ذات المجال الساطع عالي التكبير للبنية المجهرية Zr النانوية البلورية في منطقة الاختبار. تم تعديل هذا الرقم بإذن من Springer Nature⁷⁵. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يمكن تطبيق حالات إجهاد ميكانيكية إضافية في وقت واحد أثناء تجارب TEM للإشعاع الأيوني في الموقع. يوضح الشكل 10 العمل على الزحف الناجم عن الإشعاع بدرجة حرارة عالية للأعمدة النانوية Ag⁶⁷. يستخدم هذا picoindentor لتطبيق ضغط متحكم فيه على عينة TEM. تم تحضير الأعمدة من فيلم Ag بسمك 1 ميكرومتر يزرع على Si عن طريق طحن FIB. تم تشعيع الأعمدة ب 3 ميجا فولت Ag³ ⁺ أيونات تم تسخين العينات بشعاع ليزر 1064 نانومتر يتزامن مع كل من الحزمة الأيونية وشعاع الإلكترون. تظهر نتائج هذه الدراسة أن التشعيع ودرجة الحرارة مجتمعة تؤدي إلى معدل زحف أسرع من تشعيع درجة حرارة الغرفة والزحف الحراري بدرجة حرارة عالية.

الشكل 10: الزحف الناجم عن الإشعاع. معدل الزحف الناجم عن الإشعاع مقابل قطر العمود عند ضغوط تحميل 75 و 125 ميجا باسكال (يسار) ، إطارات مختارة من تسجيل الفيديو للزحف الناجم عن إشعاع TEM في الموقع في النيبوريل النانوي Ag المشع بواسطة 3 ميجا فولت أيونات Ag (يمين). تم تعديل هذا الرقم بإذن من Elsevier⁶⁷. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم وصف اعتبارات تحضير الأعمدة النانوية للتشعيع الأيوني الضحل بعمق بواسطة Hosemann et ^al.76. أحد العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها هو شكل العمود النانوي. في هذا النطاق الصغير ، يمكن أن يكون لأي انحراف عن الهندسة المثالية تأثير كبير على الأداء الميكانيكي. طرف المنشور المستطيل أفضل بكثير من الطرف الأسطواني بسبب تناقص الطرف في الهندسة المطحونة الحلقية.

توضح هذه النتائج التمثيلية مجموعة من أنظمة المواد وطرق التحضير والبيئات المعقدة الممكنة مع تشعيع الأيونات في الموقع TEM. في كل حالة يعد إعداد العينات الدقيق وتخطيط المعلمات التجريبية أمرا بالغ الأهمية لاستخراج بيانات ذات مغزى. ويناقش أدناه مزيد من التفاصيل حول هذه الاعتبارات.

المناقشة

الإجراءات الموضحة في هذه الوثيقة خاصة بمرفق I³TEM في مختبرات سانديا الوطنية ، ومع ذلك يمكن تطبيق النهج العام على مرافق TEM الأخرى للتشعيع الأيوني في الموقع. هناك مجموعة مرافق تسمى ورشة عمل حول TEM مع التشعيع في الموقع (WOTWISI) ، والتي تعقد اجتماعات نصف سنوية لمناقشة المجاهر الإلكترونية لمسرع الأيونات. هناك العديد من المرافق في اليابان بما في ذلك المعهد الياباني لأبحاث الطاقة الذرية (JAERI)⁸ ، والمعهد الوطني لعلوم المواد (NIMS) ⁽⁹). منشأة أخرى قادرة على تشعيع الأيونات في الموقع هي منشأة المجهر ومسرع الأيونات لتحقيقات المواد (MIAMI) في جامعة^{هدرسفيلد 77}. CSNSM-JANNUS Orsay منشأة⁷⁸ مجهزة ب FEI Tecnai G² 20 TEM تعمل عند 200 كيلو فولت ومقترنة بآلة زرع أيون IRMA. مرفق IVEM-Tandem في مختبر Argonne الوطني هو مرفق مستخدم للعلوم^{النووية 10}. تدمج هذه المرافق مسرعات الأيونات بشكل مختلف مما ينتج عنه زوايا فريدة من تقاطع الحزمة الأيونية والحزمة الإلكترونية. تقدم بعض المرافق اليابانية الحزمة الأيونية عند 30-45 درجة من شعاع الإلكترون ، و ANL و MAIMI بالمثل عند 30 درجة JANNUS بزاوية 68 درجة ، ولدى I³TEM وجامعة ووهان حزم أيونية طبيعية لحزمة الإلكترون.

اعتمادا على المادة وشكل البداية للعينة ، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لإعداد عينة ل TEM. يجب أن تكون العينة رقيقة بما يكفي (أقل من حوالي 100 نانومتر) ليتم تصويرها في TEM. يمكن العثور على عدة طرق لتحضير العينات في كتيب منهجيات إعداد عينة TEM³⁷. من السهولة الأكبر هي الجسيمات النانوية التي يمكن أن تسقط بسهولة. من السهل أيضا تحضير الأغشية الرقيقة المودعة على الركيزة القابلة للذوبان (الشكل 2). يمكن تحضير المواد المعدنية السائبة عن طريق تلميع رقيقة متبوعة بالثقب باستخدام الطلاء النفاث حيث تكون المنطقة المحيطة بالثقب رقيقة بما يكفي لعرض TEM. طريقة رفع الحزمة الأيونية المركزة (FIB) هي طريقة معروفة لإعداد مجموعة متنوعة من المواد ل TEM وقد تم وصفها بعمق سابقا^39،79،80. تتمثل إحدى الميزات الأساسية لهذه التقنية في القدرة على فحص المواقع بشكل انتقائي مثل حدود الحبوب والطور. ميزة أخرى هي مجموعة متنوعة من أشكال هندسة العينات الممكنة بما في ذلك: الرقائق ، والتوتر النانوي ، والأعمدة النانوية ، وإبر مسبار الذرة لبيئات الإجهاد الإضافية أو الدراسات المترابطة. عيب العينات المعدة FIB لتجارب تشعيع الأيونات في الموقع هو أن الضرر الناجم عن عملية FIB يؤدي إلى الالتواء الضرر المتراكم أثناء التجربة مما يجعل من الصعب تحديد الملاحظات الكمية. يمكن تحضير العينات البيولوجية أو البوليمرية عن طريق cryo-FIB أو الصغر المجهري بالتبريد ، ولكن هذه العمليات غير مفصلة هنا.

عند التخطيط لتجارب زرع الحزمة الأيونية أو التشعيع ، من الضروري مراعاة عدد من المعلمات المهمة للأيونات. عمق الاختراق والتدفق / الطلاقة والضرر الإشعاعي هي متغيرات غالبا ما يتم التحكم فيها عند التحقيق في آثار الإشعاع. يتم نمذجة هذه المعلمات باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات المحاكاة. نطاق إيقاف الأيونات في المواد ، SRIM ، هي محاكاة مونت كارلو مكتوبة لحساب ملامح ترسيب الأيونات في المواد المعرضة لحزم نشطة من الأيونات^21،81. بديل ل SRIM هو نموذج Robinson⁸² الذي يستخدم مجموعة متنوعة من الوظائف لنمذجة الفيزياء المختلفة لتفاعل الأيونات عالي الطاقة في المواد. بديل آخر هو نموذج تم تطويره لتأثيرات الحدث الفردي في تطبيقات الفضاء الجوي والتي يمكن تكييفها للاستخدام في تجارب الحزمة الأيونية⁸³. يستخدم SRIM معادلة Kinchin-Pease⁸⁴ لنمذجة إزاحة الذرات بالإشعاع. البرنامج سهل الاستخدام ، ويمكن حساب مجموعة من الأيونات والعناصر المستهدفة والطاقات الأيونية بسرعة باستخدام مجموعة متنوعة من المخرجات المفيدة. ومع ذلك ، فإن البرنامج محدود في اختيار النماذج المراد استخدامها ، ونظرا لأنه برنامج مونت كارلو يستغرق عددا كبيرا من التكرارات ، ووقتا أطول نسبيا لتشغيل كلما زادت المحاكاة. يستخدم نموذج روبنسون نسخة معدلة من معادلة Kinchin-Pease⁸⁴ التي لها اتفاق أعلى مع النتائج التجريبية ، ومع ذلك ، فمن الصعب استخدامها. نظرا لاعتماده على نطاق واسع وسهولة استخدامه ، تم تطبيق طرق استخدام SRIM هنا وأصبحت بشكل عام المعيار الصناعي.

أحد القيود الأساسية عند النظر في الحزم المتعددة في الموقع TEM هو هندسة العينة. نظرا لطبيعة TEM كتقنية تصوير إسقاط وحزمة الأيونات الخطية ، يمكن أن يؤثر تظليل شعاع الإلكترون أو الحزم الأيونية على التجربة. يمكن تشكيل الظلال من شعاع الإلكترون والحزمة الأيونية من مرحلة العينة ، والحوامل ، وحتى أجزاء أخرى من العينة. لتجنب تظليل العينة حسب المرحلة ، فإن معظم المراحل لها حد إمالة يتراوح بين 25 درجة و 40 درجة. يجب أيضا مراعاة المزيد من الأشكال الهندسية حيث قد تظلل العينة نفسها أو تظللها شبكة TEM. لهذا السبب ، عند تركيب العينة ، احرص على التركيب بحيث يكون هناك أقل احتمال للتظليل. بالنسبة لعينات تركيب FIB على شبكات المنشور ، فهذا يعني التعلق بنهاية العمود في أبعد وأعلى نقطة.

بالنسبة للتجارب التي تنطوي على تشعيع متزامن بواسطة أنواع أيونية متعددة ، هناك قيود. نظرا لأن أنواع الأيونات المختلفة يتم إنتاجها بواسطة مسرعات أو مصادر مختلفة ، يجب ثني الحزمة الثانية بواسطة المغناطيس في مسار الأول. تبلغ زاوية الانحناء هذه للأجهزة الموصوفة حوالي 20 درجة. يجب أن تكون هناك نسبة عالية من صلابة الشعاع حتى ينتج عن الانحناء عوارض متضاربة. يتم تحديد صلابة الشعاع (B_ρ) من خلال الزخم الكلي مقسوما على الشحنة الكلية ، ويمكن حسابها من خلال:

المعادلة (4)

حيث p هو الزخم ، q هي الشحنة ، β هي تناسب سرعة انحناء الجسيمات (β = ν / c) ، m₀ هي الكتلة المتبقية للأيون ، c هي سرعة الضوء ، و γ هو عامل لورنتز النسبي:

المعادلة (5)

هذا يعني أنه بالنسبة للتجارب متعددة الحزم ، من الأفضل استخدام أيونات ثقيلة عالية الطاقة وأيونات خفيفة منخفضة الطاقة مثل Au و He على التوالي. إذا تم إنتاج حزم متعددة بواسطة نفس المسرع ، فيجب أن يكون لها نفس نسبة الكتلة / الطاقة ، على سبيل المثال ⁴He⁺ و ²D₂⁺. يمكن أن تؤثر ظروف التصوير أيضا على الحزم الأيونية. يمكن أن يكون المجال المغناطيسي للعدسة الشيئية في أوضاع التصوير عالية التكبير قويا بما يكفي لثني مسار الأيونات. ضع في اعتبارك نوع التحليل المطلوب عند محاذاة الحزم الأيونية.

يمكن أن ينشأ التباين في TEM من الاختلافات في السماكة والطور وترتيب البلورات والكيمياء. اعتمادا على الميزة المراد فحصها ، هناك عدة أنواع مختلفة من ظروف التباين والتصوير التي يجب مراعاتها. من المفيد فهم الآليات الكامنة وراء تباين الحيود وتباين الطور. سيكون من المفيد أيضا فهم كيفية معالجة المجهر الإلكتروني لتحقيق ظروف تصوير المجال المظلم الديناميكي ثنائي الحزمة والحركية ذات المجال الساطع والحزمة الضعيفة. تم وصف هذه بالتفصيل في Jenkins and Kirk ، 2000⁵⁰.

لتحليل الخلع ، يجب فهرسة أنماط حيود متعددة بزوايا مختلفة لتحديد متجه الشبكة الفضائية المتبادلة (g). يمكن بعد ذلك استخدام شرطين للتصوير الشعاعي لتحديد ناقل البرغر للخلع (ب). في المجال المظلم الضعيف ، يمكن تصوير الاضطرابات بدقة وتباين أعلى. يتم تطبيق هذه الطريقة عندما تكون هناك كثافة عالية من الاضطرابات أو العديد من الجزئيات. لحساب كثافة الخلع الحجمي ، يجب قياس سمك الرقاقة بدقة في منطقة الاهتمام. يمكن القيام بذلك باستخدام تقنية مثل التحليل الطيفي لفقدان طاقة الإلكترون أو حيود الإلكترون المتقارب. بالنسبة لحدود الحبيبات ذات الزاوية المنخفضة ، يمكن تمييز الاضطرابات في الحدود كشبكة في ظل ظرفين ديناميكيتين للحزمة. بالنسبة لحدود الحبوب ذات الزاوية العالية ، يتم تصوير حبة واحدة في ظرفين ديناميكيين للحزمة والأخرى في ظروف حركية. يمكن تمييز الحدود المزدوجة بالمثل. تستخدم ظروف تصوير فريسنل لتصور الفقاعات والفراغات المملوءة بالغاز. تكون التجاويف الصغيرة أكثر وضوحا عندما تكون الصورة خارج نطاق التركيز قليلا وفي ظروف الحيود الحركي. تستخدم الظروف غير المركزة لتحديد القطر الحقيقي. يمكن أن تحفز الفقاعات أيضا حقول إجهاد يمكن تقدير قيمها في حالة الفقاعات الصغيرة. يستخدم رسم خرائط الاتجاه البلوري الآلي (ACOM) لرسم خرائط للعديد من الحبيبات واتجاهها المشابه لحيود التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD) في المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). من الأفضل أن تكون البلورات من خلال السماكة لتجنب التداخل من أنماط الحيود المتداخلة.

من الممكن إجراء تجارب مع الضغوطات الخارجية الأخرى مثل درجة الحرارة والإجهاد الميكانيكي. يشبه إعداد العينة والاعتبارات التجريبية إلى حد كبير التجارب متعددة الحزم. يجب توخي الحذر للتأكد من أن طريقة التسخين ونطاق درجة الحرارة مناسبان للمادة. يجب أيضا مراعاة الهندسة لتجنب تأثيرات التظليل. سيكون لحاملي التدفئة أو الاختبار الميكانيكي قيود هندسية محددة ويجب الرجوع إلى مواصفاتهم¹⁴. مجموعات من هذه الضغوطات ممكنة أيضا. يتطلب الاختبار الميكانيكي في الموقع إعدادا إضافيا للعينة إلى الهندسة المناسبة. هناك مراحل متخصصة للتجارب لاختبار الأداء الميكانيكي في ظروف التحميل المختلفة مثل: التوتر ، والضغط ، والانحناء ، والتعب ، والزحف. يمكن إجراء التسخين في الموقع أثناء التشعيع وبعد التشعيع لدراسات التلدين. يمكن استخدام مراحل التسخين القائمة على MEMS أو الموصلة للتحكم في درجات حرارة تصل إلى 1000 درجة مئوية. يمكن تحقيق درجات حرارة أعلى باستخدام الليزر في الموقع لتسخين العينات إلى بضعة آلاف من الدرجات المئوية³³. يمكن إخضاع العينات لبيئات مختلفة مع حوامل في الموقع. وهذا يشمل الغازات والسوائل المختلفة وحتى البيئات المسببة للتآكل.

باختصار ، تتمتع تجارب TEM متعددة الحزم في الموقع بالقدرة على محاكاة البيئات القاسية ومراقبة البنية المجهرية وتطور المواد في الوقت الفعلي على نطاق النانو. يمكن أن تساعد النظرة الثاقبة للآليات الأساسية التي تحكم العمليات الديناميكية المكتسبة من هذه التجارب في إبلاغ النماذج التنبؤية التي تمهد الطريق لتصميم مواد الجيل التالي. من المهم تحضير العينات كما هو موضح لضمان أفضل فرصة لتجربة ناجحة.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
مسرع كولوترون	أبحاث كولوترون	G-1	10 كيلو فولت أيون مسرع أيون
Cu Omniprobe Lift-Out Grid مع 4 أعمدة	Ted Pella	DM71302	Cu Omniprobe Lift-Out Grid مع 4 أعمدة
مزدوجة الإمالة Cryo TEM المرحلة	Gatan	DT636	حامل TEM مزدوج الإمالة المبرد بالتبريد
TEM المرحلة	Gatan	DT652	سخان مقاوم مجهز بحامل TEM مزدوج الإمالة
I3< / sup>TEM	JEOL	JEM-2100	مجهر إلكتروني ناقل حركة معدل للإشعاع الأيوني في الموقع
Isopropanol	Fisher Scientific	A459-4	70٪ V / V isopropanol
Mo Omniprobe Lift-Out Grid مع 4 أعمدة	Ted Pella	DM810113	Mo Omniprobe Lift-Out Grid مع 4 أعمدة
طبق	بتريفيشر ساينتفيك	كورنينج 316060	60 ملم بقطر 15 ملم ارتفاع طبق
بتري Picoindenter TEM المرحلة	بروكر Hysitron	PI95	Picoindenter TEM المرحلة
Scios 2	Thermofisher Scientfic	SCIOS2	شعاع أيون مركزة
مسرع ترادفي	شركة هندسة		6 ميجا فولت فان دي جراف بيليترون أيون مسرع
التصوير المقطعي حامل TEM	الطائر		الطنان لقياسات التصوير المقطعي
ملاقط	PELCO	5373-NM	عمل عكسي ذاتي الإغلاق ملاقط طرف ناعم