Probenvorbereitung und Versuchsplanung für in situ Mehrstrahl-Transmissionselektronenmikroskopie-Bestrahlungsexperimente

Summary

Die Techniken zur Probenvorbereitung werden unter besonderer Berücksichtigung von in situ Ionenbestrahlungs-TEM-Experimenten beschrieben. Ionenspezies, Energie und Fluenz werden mit Methoden zu ihrer Auswahl und Berechnung diskutiert. Abschließend werden die Vorgehensweisen zur Durchführung eines Experiments beschrieben und mit den repräsentativen Ergebnissen versehen.

Abstract

Es besteht die Notwendigkeit, Materialien zu verstehen, die überlappenden extremen Umgebungen wie hohen Temperaturen, Strahlung oder mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Wenn diese Stressoren kombiniert werden, kann es zu synergistischen Effekten kommen, die es ermöglichen, einzigartige mikrostrukturelle Evolutionsmechanismen zu aktivieren. Das Verständnis dieser Mechanismen ist notwendig für die Eingabe und Verfeinerung von Vorhersagemodellen und entscheidend für die Entwicklung von Materialien der nächsten Generation. Die grundlegende Physik und die zugrundeliegenden Mechanismen erfordern fortschrittliche Werkzeuge, um untersucht zu werden. Das in situ Ionenbestrahlungs-Transmissionselektronenmikroskop (I³TEM) soll diese Prinzipien erforschen.

Um die komplexen dynamischen Wechselwirkungen in Materialien quantitativ zu untersuchen, ist eine sorgfältige Vorbereitung der Proben und die Berücksichtigung des Versuchsdesigns erforderlich. Eine besondere Handhabung oder Vorbereitung von Proben kann leicht zu Schäden oder Merkmalen führen, die die Messungen verschleiern. Es gibt nicht den einen richtigen Weg, um eine Probe vorzubereiten. Es können jedoch viele Fehler gemacht werden. Die häufigsten Fehler und Dinge, die zu beachten sind, werden darin hervorgehoben. Das I³TEM verfügt über viele einstellbare Variablen und einen großen potentiellen Experimentierraum, daher ist es am besten, Experimente mit einer bestimmten wissenschaftlichen Fragestellung oder Fragestellungen im Hinterkopf zu planen.

Es wurden Experimente mit einer großen Anzahl von Probengeometrien, Materialklassen und unter vielen Bestrahlungsbedingungen durchgeführt. Im Folgenden finden Sie eine Untergruppe von Beispielen, die einzigartige In-situ-Fähigkeiten unter Verwendung des I³TEM demonstrieren. Au-Nanopartikel, die durch Tropfengießen hergestellt wurden, wurden verwendet, um die Auswirkungen von Einzelionenschlägen zu untersuchen. Au-dünne Schichten wurden in Studien über die Auswirkungen der Mehrstrahlbestrahlung auf die Entwicklung der Mikrostruktur verwendet. Zr-Filme wurden Bestrahlung und mechanischer Spannung ausgesetzt, um das Kriechen zu untersuchen. Ag-Nanosäulen wurden gleichzeitig hohen Temperaturen, mechanischer Kompression und Ionenbestrahlung ausgesetzt, um auch das strahleninduzierte Kriechen zu untersuchen. Diese Ergebnisse betreffen unter anderem folgende Bereiche: Strukturmaterialien, Kernenergie, Energiespeicherung, Katalyse und Mikroelektronik in Weltraumumgebungen.

Introduction

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wird häufig wegen seiner Fähigkeit eingesetzt, Proben auf der Nanoskala zu beobachten. Schon früh in der Entwicklung von Elektronenmikroskopen erkannten Mikroskopiker in situ TEM als ein leistungsfähiges Werkzeug, mit dem die Rolle von Kristalldefekten, kinetische Messungen von Reaktionsgeschwindigkeiten und die grundlegenden Mechanismen in dynamischen Prozessen direkt beobachtet werden können¹. Durch die sorgfältige Kontrolle der Umwelt und die direkte Beobachtung der materiellen Entwicklung kann ein Einblick in grundlegende Mechanismen gewonnen werden. Dieses Wissen fließt in die prädiktive Modellierung für die Materialreaktion^{ein 2,3}, was von entscheidender Bedeutung für Anwendungen ist, bei denen herkömmliche Materialzuverlässigkeitsprüfungen unerschwinglich schwierig sind; Anwendungen, bei denen die Materialien extrem abgelegen, in unglaublich feindlichen Umgebungen, extrem lange im Einsatz sind oder eine Kombination dieser Faktoren. Strahlungsumgebungen sind ein solches Beispiel, bei denen die Durchführung experimenteller Studien aufgrund der Gefahren von Strahlungsbereichen, des Umgangs mit radioaktivem Material und der langen Zeiträume für die Auswirkungen erhebliche Herausforderungen darstellt.

Weltraum- und Kernreaktorumgebungen sind beides Beispiele für diese extremen Strahlungsumgebungen. Materialien für die Kernenergie können sowohl hochenergetischen Neutronen als auch einem Spektrum hochenergetischer geladener Teilchen ausgesetzt werden. Ebenso können Materialien in Raumfahrtanwendungen einer Vielzahl von geladenen Teilchen ausgesetzt werden. Das Verständnis und die Entwicklung einer prädiktiven Modellierung der resultierenden Materialentwicklung durch die Exposition gegenüber diesen komplexen und extremen Umgebungen erfordert Einblicke in die grundlegenden Mechanismen, die auf der Nanoskala ablaufen. In situ TEM ist ein Werkzeug, um diese dynamischen nanoskaligen Mechanismen in Echtzeit zu untersuchen ^4,5.

In-situ-Ionenbestrahlungsexperimente im TEM begannen 1961 mit der zufälligen Emission von O^- -Ionen aus einem kontaminierten Wolfram-Elektronenkanonenfilament⁶. Forscher in Harwell waren die ersten, die einen Schwerionenbeschleuniger mit einem TEM verknüpften, um die Auswirkungen der Ioneneinstrahlung direkt zu beobachten⁷. In jüngerer Zeit haben mehrere Einrichtungen Mikroskope mit mehreren angebrachten Ionenbeschleunigern zusammengebaut, um In-situ-Experimente zur Ionenbestrahlung mit mehreren Strahlen zu ermöglichen, darunter am Japan Atomic Energy Research Institute⁸, am National Institute for Materials Science⁹, am Argonne National Laboratory¹⁰, an der University of Huddersfield¹¹, JANNUS Orsay¹², an der Wuhan University¹³, an den Sandia National Laboratories¹⁴ und anderen¹⁵ darunter mehrere in der Entwicklung befindliche Anlagen. Die Ionenbestrahlung mit mehreren Strahlen kann verwendet werden, um die synergistischen Effekte zu untersuchen, die durch gleichzeitige Gaserzeugung und Beschädigung der Verschiebungskaskade in Materialien auftreten, die komplexen Strahlungsumgebungen ausgesetzt sind. TEM-Tische mit erhöhter oder kryogener Temperatur werden häufig mit Mehrstrahlbestrahlung verwendet, um bestimmte Umgebungen besser nachzuahmen, da die Temperatur eine wichtige Rolle bei der Defektentwicklung spielt. Darüber hinaus können mechanische Prüfstufen verwendet werden, um die Rolle synergistischer Effekte auf mechanische Eigenschaftsänderungen in Abhängigkeit von der Bestrahlungsdosis zu quantifizieren.

Die Ionenbestrahlung wurde als beschleunigte Alterungstechnik verwendet, um die Schäden der atomaren Verschiebungskaskade zu simulieren, die während der Neutronenbestrahlung in einer Reaktorumgebung auftreten, da die Technik eine um viele Größenordnungen schnellere Schadensrate liefern und gleichzeitig eine verlängerte Aktivierung des Zielmaterials vermeiden kann¹⁶. Die I³TEM-Anlage der Sandia National Laboratories nutzt zwei Arten von Beschleunigern, um eine breite Palette von Ionenspezies und Energien zu ermöglichen. Der hochenergetische Ionenstrahl wird von einem 6 MV Tandembeschleuniger erzeugt und die niederenergetischen Ionen werden von einem 10 kV Colutron Beschleuniger erzeugt. Im Tandem wurden Au-Ionen bis zu 100 MeV erzeugt, während das Colutron erfolgreich gasförmige Spezies wie H, Deuterium (D), He, N und Xe^14,17 betrieben hat. Ein gemischtes D₂- und He-Gasplasma kann verwendet werden, um eine Dreifachionenbestrahlung durchzuführen, wobei der Schwerionenstrahl vom Tandem und ein gemischter D₂ + He-Strahl vom Colutron kommt.

Die kontrollierte Produktion von Ionen ermöglicht eine präzise Dosierung des Materials, um eine Zielschädigung und Implantationskonzentration zu erreichen. Bei der Simulation von Neutronenbestrahlung mit Ionenstrahlbestrahlung kann die Schadensdosis in Verschiebungen pro Atom (dpa) berechnet werden. Dieser Wert stellt die durchschnittliche Anzahl der Verschiebungen eines Atoms von seiner ursprünglichen Position an der Gitterstelle dar und ist nicht identisch mit der Gesamtdefektkonzentration. Die Berechnung der Gesamtdefektkonzentration erfordert fortschrittlichere Simulationswerkzeuge, die in der Lage sind, Rekombinationseffekte zu berücksichtigen. Die dpa kann mit Hilfe von Ionenstrahlungsschädigungsmodellen wie der Monte-Carlo-Simulationssoftware Stopping Range of Ions in Matter (SRIM)¹⁸ berechnet werden. SRIM kann die Fehlstellenverteilung, die Stoppleistung und die Ionenreichweite in einem Ziel basierend auf der Zusammensetzung des Ziels, der Ionenspezies und der Ionenenergie ausgeben. Dies liefert Informationen, die für die Quantifizierung von Ionenimplantation, Strahlenschäden, Sputtern, Ionenübertragung sowie für medizinische und biologische Anwendungen erforderlich sind.

Wenn man dieses Werkzeug zur Untersuchung der Auswirkungen der Bestrahlung in Betracht zieht, ist es wichtig, das Experiment so zu gestalten, dass die Stärken der Technik voll ausgeschöpft werden. Die Verwendung von in situ TEM-Bestrahlung schafft ein ideales Szenario, um die dynamische Entwicklung von Defekten zu quantifizieren, die in Strahlungsumgebungen entstehen. Während diese Technik Einblicke in die Defektentwicklung bietet, einschließlich Schleifenfehler-/Ausfallreaktionen und Defekt-Korn-Grenz-Akkommodationsmechanismen (GB), bestehen erhebliche experimentelle Einschränkungen beim Vergleich der Defektquantifizierung mit Bestrahlungen im Massenmaßstab aufgrund bekannter Dünnschichteffekte, einschließlich des Verlusts von Punktdefekten und Defektclustern an der Probenoberfläche^19,20.

Dieser Artikel stellt neue Überlegungen und Verfahren zur Vorbereitung und Einbettung von Proben für in situ Mehrstrahl-TEM-Experimente vor. Ebenfalls beschrieben werden Überlegungen zum experimentellen Design, einschließlich Modellierungs- und geometrischer Überlegungen, die für die I³TEM-Einrichtung spezifisch sind, sowie ein Protokoll für die Strahlausrichtung und Strahlcharakterisierung. Es wird eine Demonstration der Verwendung von SRIM zur Berechnung der für eine gegebene Ionenimplantationstiefe erforderlichen Energie sowie der Ionenverteilung und des Schädigungsprofils bereitgestellt. Während die Modellierungsmethoden^{21, 22} und einige Probenvorbereitungsmethoden bereits zuvor berichtet wurden, wird hier die Anwendung dieser Informationen auf die Versuchsplanung betont. Es werden repräsentative Ergebnisse aus in situ TEM-Experimenten vorgestellt und typische Datenanalysen beschrieben.

Protocol

ACHTUNG: Bitte konsultieren Sie vor der Verwendung alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS). Absolvieren Sie außerdem eine einschlägige Schulung und treffen Sie geeignete Vorsichtsmaßnahmen für Gefahren, zu denen unter anderem die verwendeten Chemikalien, Hochspannung, Vakuum, Kryogene, Druckgase, Nanopartikel, Laser und ionisierende Strahlung gehören können. Stellen Sie sicher, dass die Autorisierung und Schulung für die Verwendung aller Geräte gewährleistet ist. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitsmaßnahmen, die in den Betriebsanweisungen vorgeschrieben sind (Strahlungsüberwachungsgerät, persönliche Schutzausrüstung usw.).

HINWEIS: Alle in diesem Protokoll angegebenen Parameter gelten für die hier angegebenen Instrumente und Modelle.

1. Versuchsplanung für In-situ-Ionenbestrahlung TEM

HINWEIS: Es gibt viele Variablen, die geändert werden können, was zu einem großen potentiellen Experimentierraum führt. Die Planung systematischer Experimente, die spezifische wissenschaftliche Fragestellungen beantworten, führt zum größten Erfolg. Wählen Sie zunächst geeignete Ionenspezies und Energien aus, die das zu emulierende System modellieren.

1. Auswahl der Ionenspezies
   HINWEIS: Die Wechselwirkung von Ionen mit Materialien ist komplex und die Details gehen über den Rahmen dieses Dokuments hinaus. Es gibt mehrere Publikationen, die die Wechselwirkung von Ionen in Festkörpern²³, genauer gesagt mit Metallen²⁴, und Halbleitern²⁵ detailliert beschreiben. Weltraumstrahlungsumgebungen bestehen aus einem Spektrum von Ionenenergien und -massen, die mit leichten und schweren Ionen effektiv modelliert werden können. Nukleare Systeme können mit einer Kombination aus Schwerionenbestrahlung und Gasimplantation emuliert werden. Die Schwerionenbestrahlung simuliert die Schädigung der Verschiebungskaskade, die durch Neutronen und hochenergetische Spaltungs- oder radioaktive Zerfallsprodukte hervorgerufen wird. Er wird in Kernmaterial oft entweder durch Transmutationsreaktionen oder durch radioaktiven Zerfall erzeugt.
   1. Wählen Sie ein zu implantierendes Element basierend auf Chemie, Schadensart und passendem Neutronenspektrum aus. Um chemische Effekte durch die Ionenimplantation zu minimieren, wird häufig eine Selbstionenbestrahlung eingesetzt, bei der das ausgewählte Ion mit dem zu untersuchenden Material identisch ist. Alternativ können Dopingstudien spezifische Ionen für die Implantation auswählen. Die Art des Schadens wird durch die kinetische Energie der Ionen bestimmt, wobei höhere Energien größere Schäden verursachen. Für eine feste Energie können leichte Ionen gewählt werden, um Frenkel-Paare zu erzeugen, schwere Ionen für Schadenskaskaden und schwerste Ionen für Ionenspuren²⁶.
      1. Um Neutronenschäden zu simulieren, wählen Sie ein Ion, das mit den Verschiebungen des primären Knock-on-Atoms (PKA) mit dem interessierenden Neutronenspektrum^{übereinstimmt 27}.
         HINWEIS: Nicht alle Elemente bilden stabile negative Ionen, die für den Einsatz in Tandembeschleunigern geeignet sind. In Abbildung 1 finden Sie eine Liste aller Ionen, die erfolgreich in der I³TEM-Anlage ausgeführt wurden. Hintergrundinformationen zum Beschleunigerbetrieb und eine Liste von 6 MV Tandem-kompatiblen Elementen mit stabilen negativen Ionen finden Sie in Middletons Kochbuch²⁸.

Abbildung 1: Bisher gelaufene Ionen (blau hervorgehoben), Ladungszustände und Energiebereiche in I³TEM. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

2. Auswahl der Ionenenergie anhand der Stopp- und Bereichstabellen in SRIM
   HINWEIS: Die Tabellen "Stopp" und "Bereich" bieten eine schnelle Methode zur Bestimmung der Eindringtiefe von Ionen in ein Material. Die Bremskraft dE/dx beschreibt die Energie (dE), die ein Ion pro zurückgelegter Wegeinheit (dx) in einem Festkörper verliert. Die Bremskraft besteht aus zwei Komponenten: 1) dem nuklearen Stoppen, der Energie, die durch elastische Stöße mit Zielatomen verloren geht, und 2) dem elektronischen Stoppen, der Energie, die durch Wechselwirkungen mit den Elektronen des Zielatoms verloren geht. Das folgende Verfahren beschreibt die Implementierung einer typischen SRIM-Tabelle.
   1. Wählen Sie in der SRIM-Software Stopp-/Bereichstabellen aus.
   2. Wählen Sie das zu implantierende Ion und das Zielmaterial aus. Für ein zusammengesetztes Ziel können mehrere Zielelemente ausgewählt werden.
      HINWEIS: Eine berechnete Dichte wird bereitgestellt, ist aber in der Regel sehr ungenau und ein Wert sollte manuell eingegeben werden.
   3. Wählen Sie Tabelle berechnen aus, um eine Tabelle mit den Ionenenergien im Vergleich zur projizierten Reichweite, Quer- und Längsstreuungen im Material anzuzeigen.
      HINWEIS: Bei Implantationsexperimenten sollte der Spitzenstoppbereich innerhalb der Foliendicke liegen.
   4. Energien über 6 MV sind bei mehreren Ladezuständen möglich. Dabei wird die Ionenenergie E näherungsweise bestimmt durch:
      Gleichung (1)
      Dabei ist M₁ die Masse des ausgewählten Ions, M_T ist die Gesamtmasse der Verbindung in der Quelle (M_T = M₁ für Einzelelementquellen), q ist der Ladungszustand, V_T ist die Klemmenspannung und V S ist das _{Quellenpotential}.
      HINWEIS: Die Ladungszustände beeinflussen auch den Strahlstrom, was sich auf die erreichbare Fluenz und die Expositionszeit für Experimente auswirkt (siehe Gleichungen 2, 3).
3. Ionenfluenz- und Flussauswahl mit SRIM
   HINWEIS: Überprüfen Sie das Eindringtiefenprofil für die in 1.2 verbrauchte Energie mit SRIM. Entscheiden Sie sich für eine Zielionenkonzentration (Dosis, Fluenz) oder einen Schadensgrad auf der Grundlage der einschlägigen Literatur. Der Schädigungsgrad wird häufig in dpa angegeben und spiegelt nicht die endgültige Anzahl der Defekte wider, sondern ist die durchschnittliche Anzahl der Verschiebungen ohne Berücksichtigung der Defektvernichtung an freien Oberflächen oder der Rekombination. Andere Umgebungsbedingungen wie Temperatur oder mechanische Belastung können gleichzeitig angewendet werden. Diese können die Mechanismen der Schädigung und der mikrostrukturellen Entwicklung beeinflussen und sollten in Betracht gezogen werden. Im Folgenden wird beschrieben, wie Sie mit SRIM Schaden oder Fluenz berechnen. Es gibt alternative Methoden zur Schadensberechnung²², aber die beschriebene Methode ist weit verbreitet und gilt als einfacher und schneller. Es wird dringend empfohlen, diese Richtlinien für die relevanten Strahlungsbedingungen zu befolgen und vor allem die Simulationsparameter aufzuzeichnen und zu berichten, damit sie reproduzierbar sind.
   1. Wählen Sie in der SRIM-Software das zu implantierende Ion und das Zielmaterial aus. Für ein zusammengesetztes Ziel können mehrere Zielelemente ausgewählt werden. Eine berechnete Dichte wird bereitgestellt, ist aber in der Regel sehr ungenau und ein Wert sollte manuell eingegeben werden.
   2. Wählen Sie den TRIM-Berechnungstyp aus: "Ionenverteilung und schnelle Schadensberechnung" und "Quick K-P"-Schadensmodell.
      HINWEIS: Die vacancy.txt Methode ermöglicht eine schnelle Annäherung an das Schadensprofil, die für die Planung der meisten I³TEM-Experimente ausreicht. Stoller et ^al.21 beschreiben, wie SRIM verwendet werden kann, um die schnelle Kinchin-Pease-Gleichung zur Bestimmung der dpa pro Ion pro Fläche in Metallsystemen zu implementieren. Es gibt konkurrierende Argumente für die Verwendung von "schnellen K-P"- vs. "Vollkaskaden"-Optionen^21,22, insbesondere bei ionischen Verbindungen, die Elemente mit unterschiedlichen Schwellen-Verschiebungsenergien enthalten. Die Autoren empfehlen, jede dieser Methoden zu erforschen, um die am besten geeignete Berechnungsmethode für die Berichterstattung über die endgültige dpa in Publikationen zu ermitteln, abhängig von der spezifischen Stichprobenart und dem Versuchsdesign.
   3. Stellen Sie die Schichtdicke auf die gleiche Weise wie die TEM-Probendicke (10 bis 150 nm) ein.
      HINWEIS: Die Software unterteilt die Tiefe automatisch in 100 gleich große Behälter, so dass die Wahl einer größeren Dicke zu einer weniger genauen Klassierung führt.
   4. Stellen Sie den Ioneneinfallswinkel so ein, dass er den experimentellen Bedingungen entspricht (in der Regel 60° vom Normalwert).
      HINWEIS: Der Ionenstrahl befindet sich nahezu senkrecht zum Elektronenstrahl im TEM und typischerweise ist die Probe um 30° zum Ionenstrahl hin geneigt. In den Abschnitten 3 und 4 finden Sie Schaltpläne für die experimentelle Konfiguration.
   5. Wählen Sie eine Schwellenverschiebungsenergie aus einer seriösen Literaturquelle, z. B. ASTM E521²⁹. Setzen Sie die Gitter- und Oberflächenenergie auf Null.
      ANMERKUNG: Veröffentlichungen sowohl zur Modellierung³⁰ als auch zur experimentellen Arbeit³¹ stellen Schwellenverschiebungsenergien auf verschiedenen Materialien dar. Null Gitter- und Oberflächenenergie sind für die meisten Bedingungen geeignet, aber in besonderen Fällen muss möglicherweise ein Wert²¹ angegeben werden.
   6. Führen Sie die Simulation aus.
   7. Überprüfen Sie die VACANCY.txt Datei auf Schadensereignisse in Abhängigkeit von der Tiefe, sowohl VACANCIES nach IONS als auch VACANCIES nach RECOILS für jede Tiefe. Diese Datei kann in eine Tabelle importiert werden.
      HINWEIS: Die Verwendung der Datei vacancy.txt ist möglicherweise nicht die genaueste Methode zur Berechnung der Schadensdosis und sollte als schnelle Annäherung betrachtet werden²¹.
   8. Rechnen Sie die Einheiten von (Verschiebungen/Ionen-Å) in (Verschiebungen/Ionen·cm) um. Verwenden Sie dann die gemessene Ionenfluenz, um die dpa zu bestimmen oder die notwendige Ionenfluenz für eine gewünschte dpa zu bestimmen (Gleichung 2, siehe Abschnitt 3.1.5 und 3.2.5 zur Messung der Fluenz). Wenn eine Schadensrate (dpa/s) gewünscht wird, ersetzen Sie die Fluenz durch Flussmittel (Ionen/cm^2-s).
      Gleichung (2)
   9. Berechnen Sie die Expositionszeit, die für eine Zielfluenz erforderlich ist.
      HINWEIS: Nachfolgend finden Sie die Beziehungen zwischen diesen Werten, wobei e die Elektronenladung und C Coulombs ist (Gleichung 3). Einige Experimente erstrecken sich über mehrere Jahrzehnte der Fluenz und damit über einen entsprechenden Zeitraum mit einem gegebenen Fluss. Bei Experimenten mit hoher Fluenz ist ein maximaler Fluss erwünscht, um die Experimentierzeit^{zu minimieren 24}. Aufgrund der Grenzdrehzahl der Absperrschieber und des Faradayschen Becherantriebs erfordert eine niedrige Fluenz einen geringeren Flussmittel, so dass die Belichtungszeit mit ausreichender Präzision erreicht werden kann: auf der Skala von Sekunden. Ein hoher Strahlstrom kann zu einer lokalen Erwärmung der Probe führen, was die Diffusionseigenschaften und die beobachtete mikrostrukturelle Entwicklung verändern kann. Bei Experimenten mit hohem Strahlstrom sollte die Probe während der Bestrahlung auf Raumtemperatur abgekühlt und die Temperatur mit Thermoelementen überwacht werden.
      (Gleichung 3)
4. Auswahl der TEM-Stufe
   HINWEIS: Einfache Ionenbestrahlungsexperimente können mit einem einzigen Kipphalter durchgeführt werden. Je nach Materialsystem und den interessierenden Eigenschaften kann jedoch eine Vielzahl von Haltern geeignet sein. Es ist möglich, eine Vielzahl von Komponenten für extreme Umgebungen gleichzeitig mit der Ionenbestrahlung zu kombinieren, einschließlich Bedingungen wie Temperatur, gasförmiger oder flüssiger Umgebung und mechanischer Beanspruchung.
   1. Erwägen Sie die Verwendung von Kryo- oder Heizhaltern. Die Temperatur spielt eine wichtige Rolle bei der Diffusion von Atomen. Die Implantationstemperatur kann die Art und Intensität der Schädigung beeinflussen. Kryohalter oder Heizhalter können ausgewählt werden, um eine gewünschte Temperatur zu halten. Halten Sie die Raumtemperatur mit einem Heizungshalter aufrecht, in dem kaltes Wasser läuft.
      HINWEIS: Für Hochtemperaturexperimente sollten die Proben auf ein Mo-Gitter oder andere thermisch stabile Gitter montiert werden.
   2. Erwägen Sie die Verwendung von Doppelkipp- oder Tomografiehaltern. Die Kristallorientierung kann wichtig zu verstehen sein und ist erforderlich, um zwei Strahlbedingungen zu erhalten, die für die Quantifizierung von Versetzungsschleifen oder Dichten schwarzer Flecken förderlich sind. Für diese Fälle können doppelte Kipp- oder tomographische Halterungen verwendet werden. Dies wäre auch nützlich, um strahleninduzierte Phasenänderungen zu untersuchen.
   3. Erwägen Sie die Verwendung von Umgebungshaltern, um das Material vor Ort Gasen oder Flüssigkeiten auszusetzen. Die Vorbereitung der Proben für diese Art von Versuchen ist unterschiedlich, kann sehr schwierig sein und geht über den Rahmen dieses Dokuments³² hinaus.
   4. Erwägen Sie die Verwendung von Tischen, die auf mechanische Prüfungen spezialisiert sind, einschließlich Zug, Druck, Biegung, Ermüdung und Kriechen.
      HINWEIS: Für diese Art von Experimenten ist eine spezielle Probenvorbereitung erforderlich, die über den Rahmen dieses Dokuments^hinausgeht 33,34,35,36. Nachdem nun die Ionenspezies, die Ionenenergie und die Zielfluenz bestimmt und spezifische Halter für zusätzliche Umgebungskomplexität berücksichtigt wurden, ist der nächste Schritt bei der Planung von Ionenbestrahlungsexperimenten die Vorbereitung von Proben für TEM. Eine sorgfältige Vorbereitung der Probe ist erforderlich, um die geometrischen Einschränkungen für in situ Ionenbestrahlungs-TEM-Experimente zu erfüllen. Im Folgenden werden verschiedene Methoden zur Probenvorbereitung beschrieben.

2. Vorbereitung der dünnen Probe und Montage auf TEM-Gitter

HINWEIS: Es gibt viele Möglichkeiten, eine Probe für TEM vorzubereiten. Welche Methode am besten geeignet ist, hängt von der Ausgangsgeometrie, dem Material und den interessierenden Merkmalen der Probe ab. Eine ausführliche Liste und Beschreibungen der Präparationsmethoden finden Sie im Handbuch zur Probenvorbereitung für TEM³⁷. Im Folgenden werden drei gängige Methoden beschrieben. Bei magnetischen Materialien sollte ein Klebeverfahren angewendet werden, damit sich die Schichten oder Partikel nicht lösen, wenn sie dem Magnetfeld im TEM ausgesetzt werden. Isolierende Substrate (d. h. Oxide) sollten vermieden werden, um die elektrostatische Ausstoßung aufgrund der durch den Ionenstrahl induzierten Ladung zu minimieren.

1. Tropfengießen von Nanopartikeln
   HINWEIS: Dies ist die einfachste Methode zur TEM-Probenvorbereitung für Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm. Es können verschiedene Stützmaterialien verwendet werden, darunter Lacey-Carbon-, Polymer- und Siliziumnitrid-Membranen. Diese Materialien können aufgrund von Ligandenwechselwirkungen unterschiedlich mit den Nanopartikeln interagieren. Wählen Sie das Substrat aus, das zu gut dispergierten Nanopartikeln führt.
   1. Dispergieren Sie Nanopartikel in einem Lösungsmittel wie Alkohol, deionisiertem Wasser oder einer anderen Kombination, bis sie gut vermischt sind. Die Beschallung kann verwendet werden, um zusätzliche Agglomerate aufzubrechen. Die Flüssigkeitskonzentration kann verwendet werden, um die Nanopartikeldichte auf dem Gitter zu steuern.
   2. Verwenden Sie eine Pipette, um dispergierte Partikel auf der Oberseite eines gestützten TEM-Gitters abzulagern.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Stützseite des Gitters nach oben zeigt, damit die Nanopartikel an der Oberseite des Gitters haften bleiben. Es ist möglich, den Kapillareffekt zu nutzen, der die Nanopartikel beim Trocknen des Tröpfchens mitreißt. Ein außermittiger Tropfen führt zu einer geringeren Dichte von Nanopartikeln im zentralen Bestrahlungsbereich.
2. Abschwimmen von dünnen Schichten
   HINWEIS: Bei dieser Methode wird ein dünner (<100 nm) Film auf einem auflösbaren Substrat wie Salz oder Fotolack abgeschieden. Ein kleiner Teil der Probe wird gespalten und in ein Lösungsmittel gegeben. Wenn sich das Substrat im Lösungsmittel auflöst, trennt sich der dünne Film vom Substrat und schwimmt an die Oberfläche der Lösung, wo er auf ein TEM-Gitter geschöpft werden kann.
   1. Bereiten Sie 50 ml Lösungsmittellösung in einer Petrischale vor.
      HINWEIS: Das Lösungsmittel hängt vom Substrat für den dünnen Film ab. NaCl-Substrate sind üblich, wobei Wasser das Lösungsmittel ist. Der Lösung kann Alkohol zugesetzt werden, um die Oberflächenspannung zu verändern. Zu viel Alkohol führt oft dazu, dass die Probe absinkt, und zu wenig Alkohol erhöht die Oberflächenspannung, was es schwierig macht, den Film auf das Gitter zu übertragen.
   2. Schneiden oder schneiden Sie das Substrat in ca. 1,5 mm × 1,5 mm große Abschnitte.
      HINWEIS: Die Ränder der Folie sind in der Regel von geringerer Qualität und sollten nach Möglichkeit vermieden werden.
   3. Führen Sie das Substrat mit einer Pinzette mit der Folie nach oben in einem Einfallswinkel von etwa 30° in die Lösung ein (Abbildung 2a). Ziehen Sie die Folie wiederholt zurück und setzen Sie sie langsam ein, bis sie frei schwimmt (Abbildung 2b,c). Der Untergrund kann beiseite gestellt werden.
   4. Führen Sie das TEM-Gitter in die Lösung ein und bringen Sie es unter die Folie. Heben Sie das Gitter langsam unter die Folie, bis die Folie über dem Gitter zentriert ist. Heben Sie das Gitter schnell aus der Lösung und die Folie haftet (Abbildung 2d).
      HINWEIS: Wenn die Folie nicht gut zentriert ist, legen Sie das Gitter und die Folie wieder in die Lösung ein, um die Folie wieder aufzuschwimmen und bei Bedarf zu zentrieren. Beachten Sie, dass sich die Folie auf sich selbst zurückfalten kann.

Abbildung 2: Abschwimmen der Dünnschicht. Schematisch, das (a) das Einbringen eines Abschnitts einer dünnen Schicht, die auf einem löslichen Substrat abgeschieden wurde, in eine Lösungsmittellösung zeigt, (b) eine Querschnittsansicht des Schwebens von der dünnen Schicht durch Auflösen der Adhäsionsschicht des Substrats, (c) eine Querschnittsansicht einer dünnen Schicht, die durch Oberflächenspannung frei auf der Lösung schwebt, und (d) die Verwendung eines TEM-Gitters, um die Folie aus der Lösung zu heben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Fräsen von fokussierten Ionenstrahlen
   HINWEIS: Die meisten Schüttgüter können durch Fräsen mit fokussierten Ionenstrahlen (FIB) hergestellt werden, und Informationen zu diesem Prozess finden Sie im Handbuch für die TEM-Probenvorbereitung³⁷. Das FIB-Fräsen ist im Vergleich zu den zuvor genannten Methoden ein zeitaufwändiger und aufwändiger Prozess, der jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Handpoliermethoden zur Vorbereitung von TEM-Proben aus Massenproben sehr kurz und einfach ist. Es hat auch den Vorteil eines hohen Maßes an Kontrolle über den Standort, was die Auswahl des zu untersuchenden Bereichs von Interesse ermöglicht, wie z. B. Grenzen oder Defekte. Die von FIB hergestellten Folien weisen eine durch den Ionenstrahlfräsprozess induzierte Restschädigung durch Ionenstrahlung auf, die eine Quantifizierung der durch die In-situ-Bestrahlung induzierten Schäden³⁸ konvolutiert.
   1. Bereiten Sie das Heben vor. Eine Vielzahl von Lift-Out-Strategien kann verwendet werden, um standortspezifische TEM-Folien in unterschiedlichen Geometrien herzustellen. Für detaillierte Methoden verweisen wir auf Veröffentlichungen zur Präparation von Proben in Geometrien wie: Querschnitt³⁹, Draufsicht⁴⁰, Rissspitzen⁴¹, Nanosäulen⁴², Atomsondennadeln⁴³ usw.
   2. Montieren Sie die Folie. Ex-situ-Lift-Outs können ähnlich wie dünne Schichten auf dem TEM-Gitter platziert werden (Abbildung 3a). Bei Proben, die mit einem Gitter verschweißt sind, sollte die Folie an der Spitze eines Pfostens auf der Vorderseite des Gitters angeschweißt werden, um Abschattungseffekte zu vermeiden (Abbildung 3b). Vermeiden Sie die Montage in den V-Pfosten (Abbildung 3b: links und rechts).
   3. Führen Sie eine letzte Politur an der Lamelle durch. Die standardmäßige FIB-Ausdünnung führt zu einer Beschädigung der Probe durch den Ionenstrahl. Diese Beschädigung kann durch bündiges Polieren bei sehr kleinem Blickwinkel und durch schonendes Fräsen mit geringer Beschleunigungsspannung minimiert werden. Alternativen zur herkömmlichen Endverdünnung mit dem Ga⁺-Ionenstrahl sind das Flash-Elektropolieren^44,45 und das Ionenfräsen mit Ar⁺⁴⁶.
4. Elektropolieren
   HINWEIS: Dies ist oft die bevorzugte Methode zur Vorbereitung von einphasigen metallischen Proben für In-situ-Ionenstrahl-Bestrahlungsexperimente aus Schüttgut. Es vermeidet die Beschädigungen, die durch FIB-Fräsen und traditionelle Poliertechniken verursacht werden. Die Elektrolytlösung, das elektrische Potential und die Zeit zum Polieren sind jedoch materialspezifisch und diese Parameter können schwer zu bestimmen sein.

Abbildung 3: Schematische Darstellung von TEM-Gittern mit Proben, die auf der Oberseite montiert sind, um Verschattungen zu vermeiden. Gitter mit Spitzen-Carbon oder dünner Folie (a), halbmondförmiges Gitter mit FIB-Lift-Out, das an die Spitze (b) angeschweißt ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Bedingungen und Ausrichtung des Ionenstrahls

1. Tandem-Beschleuniger
   HINWEIS: Der Tandembeschleuniger eignet sich am besten für hochenergetische Ionen von 800 keV – 100 MeV. Quellen negativer Ionen durch Cäsium-Sputtern (SNICS) werden häufig zur Erzeugung energiereicher Metallionenstrahlen verwendet, und ihr Betrieb liegt außerhalb des Rahmens dieses Dokuments²⁸. Anpassungen und Überlegungen für in situ TEM-Experimente werden im Folgenden beschrieben.
   1. Richten Sie den Ionenstrahl im Inneren des TEM mit Lenkmagneten, Biegemagneten und Linsen aus, so dass Bestrahlungsereignisse in situ beobachtet werden können. Führen Sie abschließende Ionenstrahlausrichtungen durch, indem Sie eine Kamera verwenden, um die Ionenstrahl-induzierte Lumineszenz (IBIL) auf einem TEM-Probenhalter mit Quarzspitze zu betrachten.
      1. Richten Sie den Ionenstrahl so aus, dass er mit der vom Elektronenstrahl erzeugten Kathodolumineszenz zusammenfällt, wobei die Leistung der Elektronenstrahlobjektivlinse der im Experiment verwendeten entspricht.
   2. Setzen Sie den Faradayschen Becher stromaufwärts vom TEM ein, um den Ionenstrahl einzufangen, und nehmen Sie eine Messung vor, um den Strahlstrom zu messen. Zur Berechnung der Fluenz sind Strahlstrommessungen notwendig (Gleichung 3).
      1. Für zusätzliche Genauigkeit bei der Strahlstrommessung setzen Sie einen TEM-Halter ein, der mit einem Faradayschen Tisch ausgestattet ist, um den Ionenstrahlstrom im Probenbereich des TEM zu messen.
      2. Wenn der Strom in Echtzeit überwacht werden muss, verwenden Sie den Beam-Profil-Monitor (BPM). Schalten Sie das BPM ein und überwachen Sie dann die Auslesung des Oszilloskops, um Strommessungen durchzuführen. Die BPM funktioniert, indem der Strahl regelmäßig zerhackt wird, was zu einer zeitlichen Verzerrung des Strahls führt und ein qualitatives Maß für den Strahlstrom ist.
         HINWEIS: Der Ionenstrahlstrom kann driften, daher wird empfohlen, seine Stabilität während des gesamten Experiments zu überprüfen.
   3. Messen Sie die Strahlfläche mit einem Brennpunkt. Brennpunkte können verwendet werden, um Ausrichtungen in 3.1.1 zu bestätigen.
      1. Montieren Sie ein Stück durchsichtiges Klebeband auf eine flache Plattenspitze eines TEM-Probenhalters mit einfacher Neigung und setzen Sie es dem Elektronenstrahl und Ionenstrahl aus. Entfernen Sie das Klebeband und legen Sie es auf einen weißen Hintergrund.
      2. Um den Bereich zu bestimmen, fotografieren Sie den Brennpunkt mit einem Lineal und importieren Sie ihn in eine Bildbearbeitungssoftware wie ImageJ⁴⁷. Zusammen mit dem Strahlstrom kann die Strahlflächenmessung zur Bestimmung des Ionenflusses herangezogen werden (Gleichung 2).
   4. Setzen Sie eine Kalibrierungsprobe ein, um die Strahlschädigung zu visualisieren, die unter kinematischen Hellfeld-Bildgebungsbedingungen als Schwarzpunktkontrast erscheinen sollte. In der Regel werden Au oder CuAu aufgrund ihrer leicht erkennbaren Schwarzfleckenbildung und der einfachen Probenvorbereitung ausgewählt⁴⁸.
2. Colutron Beschleuniger
   ANMERKUNG: Der Colutron-Beschleuniger verwendet eine gasgespeiste heiße Filament-Ionenquelle⁴⁹. Es ist möglich, mehrere Gasspezies gleichzeitig zu beschleunigen, jedoch muss das Masse-Ladungs-Verhältnis der beiden Ionenspezies gleich sein, damit der Biegemagnet, die Lenker und die Linsen identisch wirken. zum Beispiel ⁴He²⁺ und ²D¹⁺.
   1. Führen Sie SRIM-Berechnungen wie in Abschnitt 1.2 beschrieben durch, um die gewünschte Gasimplantationsenergie zu erhalten.
      HINWEIS: Die erforderliche Stärke des Biegemagneten hängt von der Masse des Ions, seinem Ladungszustand und der Beschleunigungsspannung ab. Wenn die Gasspezies mehrere Isotope hat, führt die Auswahl des am häufigsten vorkommenden Isotops zu dem höchsten Strahlstrom. Beachten Sie auch, dass, wenn das Tandem aktiv ist, dieser Biegemagnet auch auf seinen Balken wirkt; Weitere Korrekturen für das Tandem müssen nach dem Ausrichten des Colutron-Strahls vorgenommen werden.
   2. Den Ionenstrahl so lenken, dass er mit dem Elektronenstrahl zusammenfällt, wie in Schritt 3.1.1 beschrieben.
   3. Der Strahlstrom ist wie in Schritt 3.1.2 beschrieben zu messen.
   4. Schätzen Sie die Strahlfläche anhand eines Brennpunkts, wie in Schritt 3.1.3 beschrieben.
      HINWEIS: Dieser Schritt kann gleichzeitig mit der Messung des Ionenstrahls vom Tandembeschleuniger durchgeführt werden. Wenn jedoch der Strahlstrom des Colutron-Beschleunigers im Vergleich zum Strahl des Tandems zu hoch ist (> 3 Größenordnungen), wird das Signal verdeckt und die Messungen sollten separat durchgeführt werden.
   5. Nehmen Sie die letzten Einstellungen vor, um den Balken auf die TEM-Probe zu lenken, wie in Schritt 3.1.4 beschrieben.

4. TEM-Belastung und Bildgebungsbedingungen

Abbildung 4: TEM-Belastung und Bildgebungsbedingungen. Draufsicht auf den TEM-Halter mit Elektronenstrahlrichtung in die Seite mit um 30° geneigtem Halter im positiven X (a) und negativen X (c). Querschnittsansicht entlang der Achse des Halters mit hervorgehobenem Elektronenstrahl (grün) und Ionenstrahl (blau) mit 30° geneigtem Halter im positiven X (b) und negativen X (d) für die unterseitige Beleuchtung des Ionenstrahls. Hervorgehobener Bereich, in dem sowohl der Elektronenstrahl als auch der Ionenstrahl nicht abgeschattet werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

1. Probenbelastung und geometrische Belange
   1. Laden Sie das Gitter so auf den Halter, dass die Probenseite des Gitters nach oben zeigt und das Gitter ausgerichtet ist, um Abschattungseffekte zu vermeiden, wenn es zum Ionenstrahl hin ausgerichtet ist (Abbildung 4a,c).
      HINWEIS: Abbildung 4b,d zeigt ein Schema des Ionenstrahlengangs und des Elektronenstrahlgangs in der Bestrahlungskonfiguration, wobei der effektive Experimentierbereich hervorgehoben ist.
   2. Überprüfen Sie mit einem optischen Mikroskop auf Abschattungseffekte. Kippen Sie den Halter um 30° in positiver X-Richtung, wie in Abbildung 4a,b gezeigt. Die Draufsicht wird parallel zu der des Elektronenstrahls sein. Kippen Sie den Halter um 60° in negative X-Richtung, wobei die Draufsicht parallel zu der des Ionenstrahls ist. Wenn der interessierende Bereich der Probe nicht in beiden Ausrichtungen sichtbar ist, liegt ein Abschattungsproblem vor und die Probe muss verschoben werden.
      HINWEIS: Bei einigen Haltern weist die Unterseite des Tisches weniger Abschattungsprobleme auf, so dass eine Neigung auf minus 30°, so dass der Ionenstrahl auf die Unterseite der Probe trifft, optimal sein kann (Abbildung 4d).
   3. Montieren Sie die Probe auf einen TEM-Halter gemäß den Herstellerrichtlinien für den jeweiligen Halter. Laden Sie den Halter in das TEM, um den Pumpenzyklus zu starten. Warten Sie, bis sich das Vakuum stabilisiert hat, und setzen Sie den Halter ein.
      HINWEIS: Beim Be- und Entladen von Haltern im TEM sollte das Ventil zur Beamline geschlossen werden, um zu verhindern, dass belastungsinduzierte Vakuumabstürze im TEM die Beamline beeinträchtigen.
   4. Laden Sie in der TEM-Steuerungssoftware die neueste Ausrichtungsdatei für die verwendete Beschleunigungsspannung. Verfeinern Sie manuell die Ausrichtungen für die Kondensorlinse und die Blende, die Neigung und Verschiebung der Pistole sowie die Objektivlinse.
   5. Suchen Sie einen Bereich von Interesse auf der Probe und passen Sie die Bildgebungsbedingungen wie von Jenkins und Kirk⁵⁰ beschrieben für die Art der durchzuführenden Analyse an. Verwenden Sie kinematische Hellfeldbedingungen, um Schadensereignisse abzubilden.
      HINWEIS: Bei Materialien mit hoher Z-Zahl, wie z. B. Wolfram, kann eine zusätzliche Kondensorlinse für zusätzliche Helligkeit eingesetzt werden.
      HINWEIS: Materialien mit niedrigem Z können durch hochenergetische Elektronen verdrängt werden, was zu einer Folgeschädigung durch den Elektronenstrahl führt, die die durch die Ionen⁵¹ verursachte Schädigung verkleinern kann. Die Verwendung eines niedrig dosierten Elektronenstrahls und die Begrenzung der Exposition gegenüber der Probe sowie die Verwendung von TEM mit geringer Verweilzeit tragen dazu bei, dies zu mildern.
   6. Neigen Sie den Halter um den maximalen Sicherheitsabstand (30° bei den meisten Haltern) um bis zu 81° in Richtung des Ionenstrahls.
   7. Wenden Sie alle zusätzlichen Stressfaktoren wie Heizung, Kühlung, Umwelt, Mechanik usw. unter Verwendung der vom Hersteller empfohlenen Verfahren an, die für den gewählten TEM-Halter spezifisch sind.
      HINWEIS: Lassen Sie bei Arbeiten mit hoher Vergrößerung Zeit für die Stabilisierung des Tisches, damit die Drift nicht signifikant ist. Angewendete Stressoren können dazu führen, dass sich die Probe ebenfalls verformt.
   8. Öffnen Sie das TEM-Ionenstrahlventil und entfernen Sie den Faradayschen Becher, um die Versuchsprobe der Ionenbestrahlung auszusetzen. Halten Sie die Belichtung an, indem Sie den Faradayschen Becher einsetzen und die Ventile an der Strahllinie schließen. Der Faradaysche Becher sollte vor dem Schließen des TEM-Ventils eingesetzt werden, um eine Beschädigung des Ventils zu vermeiden.
      HINWEIS: Der Pistolendruck im TEM sollte so überwacht werden, dass er den vom Hersteller angegebenen Schwellenwert für sichere Betriebspegel nicht überschreitet. Es kann erforderlich sein, die Belichtung zu unterbrechen, damit sich das Vakuum erholen kann, wenn die Probe oder der Tisch während der Ionenstrahlexposition eine signifikante Ausgasung erzeugt.
   9. Nehmen Sie Bilder oder Videos auf, um die Entwicklung der Mikrostruktur zu dokumentieren.
2. Zusätzliche Bildgebungsmodi
   1. Um die relativen Orientierungen von Körnern abzubilden, verwenden Sie das automatisierte Kristallorientierungsmapping (ACOM), eine Technik, die es ermöglicht, die kristallographische Orientierung aller Kristallite mit einer Größe von nur 10 nm zu identifizieren. Softwaresysteme automatisieren die Erfassung von Beugungsmustern mit einem präzessierten Strahl, die indiziert werden, was zu einer Orientierungskarte⁵² führt.
   2. Für ultraschnelle Ereignisse verwenden Sie den Hochgeschwindigkeits-Deflektor. Es handelt sich um eine magnetische Linse, die projizierte Elektronen mit hohen Raten in verschiedene Quadranten der Kamera ablenkt und die Bildzeit effektiv um eine Größenordnung erhöht. Es kann verwendet werden, um Ereignisse, die auf der Zeitskala von Mikrosekunden auftreten, in einem einzigen Frame⁵³ zu erfassen.
   3. Führen Sie eine Elektronentomographie durch, indem Sie eine Kippreihe der Probe erfassen und anschließend eine Rekonstruktion mit Software durchführen. Dies enthüllt die dreidimensionale Struktur der Probe und kann zur Analyse von Volumenverteilungen⁵⁴ verwendet werden.
   4. Führen Sie Elektronenholografie-Messungen durch, indem Sie eine Durchfokusreihe erfassen. Diese Messung kann zur Unterscheidung von Hohlräumen, Blasen und Nanopartikeln⁵⁵ verwendet werden.
   5. Verwenden Sie das Dunkelfeld des schwachen Strahls, um Versetzungen und Schäden durch den Ionenstrahl anzuzeigen. Die Zweistrahlbedingung für einen Einkristall wird verwendet, um den Versetzungscharakter und die Dichte⁵⁰ zu messen.

Results

In-situ-Ionenbestrahlungs-TEM-Experimente wurden an verschiedenen Materialsystemen und mit verschiedenen Methoden der Probenvorbereitung durchgeführt 14,32,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67^, 68,69,70^, 71,72,73,74,75. Im Folgenden finden Sie einige ausgewählte Systeme, die diese Vielfalt demonstrieren. Zu den Methoden zur Probenvorbereitung gehören das Tropfengießen von Nanopartikeln, das Abschwimmen von Dünnschichten, das Abheben von FIB-Querschnitten auf Halbmondgittern, Push-to-Pull-Folien und Nanosäulen.

Hervorgehoben wird hier ein Experiment über die Auswirkungen von Einzelionenschlägen auf Au-Nanopartikel (NPs⁾⁶⁰. Die Anzahldichte der Teilchen im Bestrahlungsfenster wurde durch die Ausnutzung der Kapillarkräfte gesteuert, die NPs beim Trocknen eines Tröpfchens mitziehen. Durch das Absinken aus der Mitte zieht das Tröpfchen beim Trocknen NPs in Richtung des Randes der Scheibe. Die aktiven Mechanismen für Schäden können hervorgehoben werden, indem man die Differenz vor und nach einem Ereignis betrachtet (Abbildung 5). Die Messungen zeigen verschiedene Mechanismen für Schäden, die durch Einzelionen-Strahlung induziert werden, einschließlich der Bildung von Oberflächenkratern, Sputtern, Filamentbildung und Teilchenfragmentierung, wobei die Art der Schädigung von der Ionenenergie abhängt. Die Filamentbildung wird bei niedrigeren Ionenenergien beobachtet, während Kraterbildung, Sputtern und Teilchenfragmentierung bei hohen Ionenenergien beobachtet werden. Diese unterschiedlichen Energieregime können genutzt werden, um die Auswirkungen der elektronischen und nuklearen Bremskräfte zu untersuchen.

Abbildung 5: Effekte einzelner 46 keV-Ionen in NPs abnehmender Größe. Beachten Sie, dass die Vergrößerung für alle Schliffbilder ähnlich ist. Jedes Paar von Schliffbildern ist durch 1 Bild getrennt, hier etwa 0,25 s. (a–c) Ein einzelner Ioneneinschlag in einem 60 nm NP erzeugte einen Oberflächenkrater, der durch den weißen Pfeil markiert ist. Feld (c) zeigt das Differenzbild, das die Veränderung zwischen (a) und (b) hervorhebt; Features, die nur in (a) vorhanden sind, sind dunkel und neu gebildete Features, die nur in (b) vorhanden sind, erscheinen hell. (d–f) Ein einzelnes Ion, das einen Krater in einem 20 nm NP erzeugt. Feld (f) zeigt das Differenzbild von (d) und (e). Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von Cambridge University Press⁶⁰ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Nanokristalline dünne Schichten aus Au wurden für in situ Mehrstrahl-TEM-Experimente präpariert. Die Proben wurden durch gepulste Laserabscheidung auf NaCl-Substraten abgeschieden und dann in deionisiertem Wasser auf Mo-TEM-Gittern abgeschwommen. Die Proben wurden in einem Vakuumofen bei 300 °C für 12 h geglüht, um die abgeschiedene metastabile nanokristalline Struktur zu entspannen, was zu polykristallinem Gold mit ultrafeiner Korngröße führte.

In dieser Studie werden 2,8 MeV Au⁴⁺ Ionen verwendet, um die Neutronenbestrahlung zu simulieren. Die Energie wird auf der Grundlage der SRIM-Modellierung so gewählt, dass sie zu einer maximalen Schädigung innerhalb der Schichtdicke führt (Abbildung 6a). Simultanes 10 keV He⁺ simuliert die Erzeugung von α-Teilchen aus durch Neutronenstrahlung induzierten Kernreaktionen. Die He-Ionenenergie wird so gewählt, dass die Ionen innerhalb der Foliendicke implantiert werden, anstatt sie zu durchdringen (Abbildung 6b).

Abbildung 6: SRIM-Modellierung. SRIM berechnete (a) die Verschiebungs- und (b) Konzentrationsprofile als Funktion der Tiefe für Au, das mit verschiedenen Ionenspezies bestrahlt wurde. Das Gesamt-dpa-Profil (D + He + Au) ist in (a) durch violette Sterne gekennzeichnet. Passformlinien sind eine Orientierungshilfe für das Auge. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von MDPI¹⁷ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Das Material wurde dann mit Au-Ionen bestrahlt und es wurden Schäden in Bezug auf die Fluenz beobachtet. Die Mikrostruktur entwickelte Defekte, die durch die hochenergetischen Ionen induziert wurden (Abbildung 7). Mit zunehmender Expositionszeit und damit Fluenz nahm der Schaden linear zu. Bei hohen Dosen ist die Konzentration der Schadstellen zu hoch, um sie zuverlässig zu quantifizieren.

Abbildung 7: TEM-Bilder mit Schadensstellen. TEM-Bilder von in situ 2,8 MeV Au⁴⁺ Bestrahlung in eine Au-Folie unter Verwendung von Dosisleistungen von 9,69 × 10¹⁰ (a–c) und 9,38 × 10⁸ Ionen/cm²·s (e–g), bei Fluenzen von 4,85 × 10⁸, 1,45 × 10¹² und 3,39 × 10¹² Ionen/cm². (d,h) zeigen lineare Zunahmen der Anzahl der Schadensstellen mit der Zeit. Alle TEM-Bilder wurden mit der gleichen Vergrößerung aufgenommen. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von MDPI¹⁷ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Um die Auswirkungen mehrerer Strahlen zu untersuchen, die gleichzeitig mit dem Material wechselwirken, wird dann eine Doppel- und Dreifach-Ionenstrahl-Bestrahlung an Au durchgeführt (Abbildung 8). Die Keimbildung, das Wachstum und die Entwicklung der Kavität werden gemessen.

Abbildung 8: In situ TEM-Bilder, die das Wachstum des Hohlraums zeigen. In situ TEM-Bilder, die das Hohlraumwachstum als Funktion der Zeit aufgrund von (a–d) Doppelionenbestrahlung mit 5 keV D + 1,7 MeV Au und die Hohlraumbildung und den Kollaps als Funktion der Zeit durch (e–h) Dreifachionenbestrahlung mit 10 keV He, 5 keV D und 2,8 MeV Au zeigen. Gestrichelte Kreise markieren den interessierenden Hohlraum in jedem Bild. Diese Abbildung wurde mit Genehmigung von MDPI¹⁷ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Um das durch Bestrahlung induzierte Kriechen in Zr zu untersuchen, wurde ein mikroelektromechanisches System (MEMS) hergestellt, indem Zr-Dünnschichten auf Silizium-auf-Isolatorwafern durch Sputterabscheidung hergestellt wurden, gefolgt von fotolithographischer Strukturierung und anschließendem tiefreaktivem Ionenätzen. Bild 9 zeigt die freistehende Zr-Probe und den Si-Push-to-Pull-Prüfrahmen, der einen In-situ-Zugversuch ermöglicht. 1,4 MeV Zr-Ionen wurden verwendet, um die Probe unter Last zu bestrahlen, um das Bestrahlungskriechverhalten in Zr zu bestimmen. Durch die Durchführung des Experiments in einem TEM können dynamische Mechanismen auf der Nanoskala beobachtet werden. Messungen zeigen sowohl eine Texturveränderung als auch eine Verlängerung der Probe. Eine volumetrische Quellung war aufgrund der dünnen Foliengeometrie, der Raumtemperaturbedingungen und der geringen Strahlenschäden nicht zu erwarten. Dies wird durch das Fehlen von beobachteten Blasen- und Hohlraumbildungen bestätigt.

Abbildung 9: Mechanische In-situ-Prüfung. a) REM-Aufnahme der Push-to-Pull-Vorrichtung mit hervorgehobener Zr-Zugprobenstelle. (b) TEM-Bild des Geräts mit geringer Vergrößerung aus (a). (c) Hellfeld-TEM-Bild der nanokristallinen Zr-Mikrostruktur im Testbereich mit höherer Vergrößerung. Diese Abbildung wurde mit freundlicher Genehmigung von Springer Nature⁷⁵ verändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Zusätzliche mechanische Stressorzustände können gleichzeitig während in situ Ionenbestrahlungs-TEM-Experimenten angewendet werden. Abbildung 10 zeigt Arbeiten zum durch Hochtemperaturstrahlung induzierten Kriechen von Ag-Nanosäulen⁶⁷. Dabei wird ein Picoindentor verwendet, um eine kontrollierte Spannung auf eine TEM-Probe aufzubringen. Die Säulen wurden aus 1 μm dicker Ag-Folie hergestellt, die durch FIB-Fräsen auf Si gezüchtet wurde. Die Säulen wurden mit 3 MeV Ag³⁺ Ionen bestrahlt. Die Proben wurden mit einem 1064 nm Laserstrahl erhitzt, der sowohl mit dem Ionenstrahl als auch mit dem Elektronenstrahl zusammenfiel. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Kombination aus Einstrahlung und Temperatur zu einer um Größenordnungen schnelleren Kriechrate führt als bei Raumtemperatur und thermischem Kriechen bei hohen Temperaturen.

Abbildung 10: Strahlungsinduziertes Kriechen. Strahlungsinduzierte Kriechrate im Vergleich zum Säulendurchmesser bei Belastungsspannungen von 75 und 125 MPa (links), ausgewählte Bilder aus einer Videoaufzeichnung von in situ TEM-strahlungsinduziertem Kriechen in Ag-Nanosäulen, die mit 3 MeV Ag-Ionen bestrahlt wurden (rechts). Diese Abbildung wurde mit freundlicher Genehmigung von Elsevier⁶⁷ geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Überlegungen zur Herstellung von Nanosäulen für die oberflächennahe Ionenbestrahlung wurden von Hosemann et ^al.76 ausführlich beschrieben. Einer der wichtigsten Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt, ist die Form der Nanosäule. In diesem kleinen Maßstab kann jede Abweichung von der idealen Geometrie einen großen Einfluss auf die mechanische Leistung haben. Eine rechteckige Prismenspitze ist viel besser als eine zylindrische Spitze, da sich die Spitze in ringförmig gefräster Geometrie verjüngt.

Diese repräsentativen Ergebnisse zeigen eine Reihe von Materialsystemen, Präparationsmethoden und komplexen Umgebungen, die mit in situ Ionenbestrahlung TEM möglich sind. In jedem Fall sind eine sorgfältige Probenvorbereitung und Planung der experimentellen Parameter entscheidend, um aussagekräftige Daten zu erhalten. Weitere Einzelheiten zu diesen Überlegungen werden im Folgenden erläutert.

Discussion

Die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren sind spezifisch für die I³TEM-Anlage der Sandia National Laboratories, der allgemeine Ansatz kann jedoch auch auf andere In-situ-Ionenbestrahlungs-TEM-Anlagen angewendet werden. Es gibt eine Facility Group namens Workshop On TEM With In situ Irradiation (WOTWISI), die halbjährlich Treffen abhält, um über Ionenbeschleuniger-Elektronenmikroskope zu diskutieren. In Japan gibt es mehrere Einrichtungen, darunter das Japan Atomic Energy Research Institute (JAERI)⁸ und das National Institute for Materials Science (NIMS)⁹. Eine weitere Einrichtung, die in situ Ionenbestrahlung durchführen kann, ist die Microscope and Ion Accelerator for Materials Investigations (MIAMI) an der University of Huddersfield⁷⁷. CSNSM-JANNUS Anlage⁷⁸ in Orsay, ausgestattet mit einem FEI Tecnai G² 20 TEM, der mit 200 kV arbeitet, und gekoppelt mit dem IRMA-Ionenimplanter. Die IVEM-Tandem Facility im Argonne National Lab ist eine Nuclear Science User Facility¹⁰. Diese Anlagen integrieren Ionenbeschleuniger auf unterschiedliche Weise, was zu einzigartigen Schnittwinkeln zwischen Ionenstrahl und Elektronenstrahl führt. Einige der japanischen Einrichtungen führen den Ionenstrahl in einem Winkel von 30-45° zum Elektronenstrahl ein, ANL und MAIMI in ähnlicher Weise bei 30° JANNUS in einem Winkel von 68°, und I³TEM und die Universität Wuhan haben Ionenstrahlen senkrecht zum Elektronenstrahl.

Abhängig vom Material und der Ausgangsform der Probe können verschiedene Techniken eingesetzt werden, um eine Probe für die TEM vorzubereiten. Die Probe muss dünn genug sein (weniger als etwa 100 nm), um in einem TEM abgebildet zu werden. Mehrere Methoden zur Probenvorbereitung finden sich im Handbuch der TEM-Probenvorbereitungsmethoden³⁷. Am einfachsten sind Nanopartikel, die sich leicht tropfengießen lassen. Dünne Filme, die auf löslichem Substrat abgeschieden werden, sind zudem recht einfach herzustellen (Abbildung 2). Metallisches Schüttgut kann durch dünnes Polieren und anschließendes Durchstanzen mit Jet-Politur vorbereitet werden, wobei der Bereich um das Loch herum dünn genug für die TEM-Betrachtung ist. Das Lift-out-Verfahren des fokussierten Ionenstrahls (FIB) ist ein bekanntes Verfahren zur Vorbereitung einer Vielzahl von Materialien für die TEM und wurde bereits ausführlich beschrieben 39,79,80. Ein Hauptvorteil der Technik ist die Möglichkeit, Stellen wie Korn- und Phasengrenzen selektiv zu untersuchen. Ein weiterer Vorteil ist die Vielfalt der möglichen Probengeometrien, darunter: Folien, Nanospannung, Nanosäulen und Atomsondennadeln für zusätzliche Belastungsumgebungen oder korrelative Studien. Der Nachteil von FIB-präparierten Proben für in situ Ionenbestrahlungsexperimente besteht darin, dass die durch den FIB-Prozess induzierten Schäden die während des Experiments angesammelten Schäden konvolutieren, was es schwierig macht, quantitative Beobachtungen zu bestimmen. Biologische oder polymere Proben können mittels Kryo-FIB oder Kryo-Mikrotomie präpariert werden, diese Verfahren werden hier jedoch nicht näher erläutert.

Bei der Planung von Ionenstrahlimplantationen oder Bestrahlungsexperimenten ist es notwendig, eine Reihe wichtiger Parameter für die Ionen zu berücksichtigen. Eindringtiefe, Fluss/Fluenz und Strahlenschäden sind Variablen, die bei der Untersuchung von Strahlungseffekten oft kontrolliert werden. Diese Parameter werden mit einer Vielzahl von Simulationstechniken modelliert. Stopping Range of Ions in Materials, SRIM, ist eine Monte-Carlo-Simulation, die zur Berechnung von Ionenablagerungsprofilen in Materialien geschrieben wurde, die energiereichen Strahlen von Ionen^21,81 ausgesetzt sind. Eine Alternative zu SRIM ist das Robinson-Modell⁸², das eine Vielzahl von Funktionen verwendet, um die verschiedenen Physiken der Wechselwirkung hochenergetischer Ionen in Materialien zu modellieren. Eine weitere Alternative ist ein Modell, das für Einzelereigniseffekte in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde und für den Einsatz in Ionenstrahlexperimenten angepasst werden kann⁸³. SRIM verwendet die Kinchin-Pease-84-Gleichung, um die Verschiebung von Atomen durch Strahlung zu modellieren. Die Software ist einfach zu bedienen und eine Reihe von Ionen, Zielelementen und Ionenenergien können schnell mit einer Vielzahl nützlicher Ausgaben berechnet werden. Die Auswahl der zu verwendenden Modelle ist jedoch begrenzt, und da es sich um ein Monte-Carlo-Programm handelt, benötigt es eine große Anzahl von Iterationen und proportional länger Zeit, um ausgeführt zu werden, je größer die Simulation ist. Das Robinson-Modell verwendet eine modifizierte Version der Kinchin-Pease-Gleichung⁸⁴, die eine höhere Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aufweist, jedoch schwieriger zu verwenden ist. Aufgrund der weiten Verbreitung und der einfachen Handhabung wurden hier Methoden zur Verwendung von SRIM angewendet, die sich in der Regel zum Industriestandard entwickelt haben.

Eine der Haupteinschränkungen bei der Betrachtung von Multibeam-in-situ-TEM ist die Probengeometrie. Aufgrund der Natur von TEM als Projektionsbildgebungsverfahren und des linearen Ionenstrahls kann die Abschattung des Elektronenstrahls oder der Ionenstrahlen das Experiment beeinträchtigen. Schatten des Elektronenstrahls und des Ionenstrahls können vom Probentisch, den Halterungen und sogar von anderen Teilen der Probe gebildet werden. Um eine Abschattung der Probe durch den Tisch zu vermeiden, haben die meisten Tische eine Neigungsbegrenzung zwischen 25° und 40°. Auch bei Geometrien, bei denen die Probe sich selbst abschatten oder vom TEM-Gitter abgeschattet werden kann, muss mehr Rücksicht genommen werden. Aus diesem Grund ist bei der Montage der Probe darauf zu achten, dass die Möglichkeit einer Abschattung gering ist. Für FIB-Montagemuster auf Pfostengittern bedeutet dies, dass sie am Ende des Pfostens am weitesten außen und am höchsten Punkt befestigt werden.

Für Experimente, bei denen mehrere Ionenspezies gleichzeitig bestrahlt werden, gibt es Einschränkungen. Da die verschiedenen Ionenspezies von unterschiedlichen Beschleunigern oder Quellen erzeugt werden, muss der zweite Strahl vom Magneten in den Weg des ersten gebogen werden. Dieser Biegewinkel für die beschriebene Instrumentierung beträgt ca. 20°. Es muss ein hohes Verhältnis der Trägersteifigkeit vorhanden sein, damit die Biegung zu kolinearen Balken führt. Die Strahlsteifigkeit (B_ρ) wird definiert durch den Gesamtimpuls dividiert durch die Gesamtladung und kann berechnet werden durch:

Gleichung (4)

Dabei ist p der Impuls, q die Ladung, β die Proportionalität der Teilchenbiegegeschwindigkeit (β = ν/c), m₀ die Ruhemasse des Ions, c die Lichtgeschwindigkeit und γ der relativistische Lorentzfaktor:

Gleichung (5)

Das bedeutet, dass es für Mehrstrahlexperimente am besten ist, hochenergetische Schwerionen und niederenergetische leichte Ionen wie Au bzw. He zu verwenden. Wenn mehrere Strahlen mit demselben Beschleuniger erzeugt werden, müssen sie das gleiche Masse-Energie-Verhältnis haben, z. B. ⁴He⁺ und ²D₂⁺. Auch die bildgebenden Bedingungen können sich auf die Ionenstrahlen auswirken. Das Magnetfeld der Objektivlinse in Bildgebungsmodi mit hoher Vergrößerung kann stark genug sein, um den Weg der Ionen zu biegen. Beachten Sie die Art der Analyse, die beim Ausrichten der Ionenstrahlen gewünscht ist.

Der Kontrast in der TEM kann sich aus Unterschieden in der Dicke, Phase, Kristallordnung und Chemie ergeben. Abhängig von dem zu untersuchenden Merkmal gibt es verschiedene Arten von Kontrast- und Abbildungsbedingungen, die berücksichtigt werden sollten. Es ist nützlich, die Mechanismen hinter dem Beugungskontrast und dem Phasenkontrast zu verstehen. Es wird auch nützlich sein, zu verstehen, wie das Elektronenmikroskop manipuliert werden kann, um dynamische, kinematische Hellfeld- und Dunkelfeld-Bildgebungsbedingungen für schwache Strahlen zu erreichen. Diese werden in Jenkins und Kirk, 2000⁵⁰ ausführlich beschrieben.

Um Versetzungen zu analysieren, müssen mehrere Beugungsmuster in verschiedenen Winkeln indiziert werden, um den reziproken Raumgittervektor (g) zu bestimmen. Zwei Strahlbildgebungsbedingungen können dann verwendet werden, um den Burgers-Vektor der Versetzungen zu bestimmen (b). Im Dunkelfeld mit schwachem Strahl können die Versetzungen mit höherer Auflösung und höherem Kontrast abgebildet werden. Diese Methode wird angewendet, wenn eine hohe Dichte von Versetzungen oder viele Teilversetzungen vorhanden sind. Um die volumetrische Versetzungsdichte zu berechnen, muss die Dicke der Folie genau im interessierenden Bereich gemessen werden. Dies kann mit einer Technik wie der Elektronenenergieverlustspektroskopie oder der konvergenten Strahlelektronenbeugung erfolgen. Bei Korngrenzen mit kleinem Winkel können die Versetzungen in der Berandung unter dynamischen Bedingungen mit zwei Strahlen als Netzwerk unterschieden werden. Bei Korngrenzen mit hohem Winkel wird ein Kornkorn unter dynamischen Bedingungen mit zwei Strahlen und das andere unter kinematischen Bedingungen abgebildet. Zwillingsgrenzen können auf ähnliche Weise charakterisiert werden. Fresnel-Bildgebungsbedingungen werden verwendet, um gasgefüllte Blasen und Hohlräume sichtbar zu machen. Kleine Resonatoren sind besser sichtbar, wenn das Bild leicht unscharf ist und unter kinematischen Beugungsbedingungen. Unterfokussierte Bedingungen werden verwendet, um den realen Durchmesser zu bestimmen. Blasen können auch Dehnungsfelder induzieren, für die bei kleinen Blasen Werte geschätzt werden können. Automated Crystal Orientation Mapping (ACOM) wird verwendet, um mehrere Körner und ihre Orientierung ähnlich der Elektronenrückstreubeugung (EBSD) im Rasterelektronenmikroskop (REM) abzubilden. Es ist am besten, wenn die Kristalle durch die Dicke sind, um Interferenzen durch überlappende Beugungsmuster zu vermeiden.

Es ist möglich, Experimente mit anderen externen Stressoren wie Temperatur und mechanischer Beanspruchung durchzuführen. Die Probenvorbereitung und die experimentellen Überlegungen sind weitgehend die gleichen wie bei den Mehrstrahlexperimenten. Es muss darauf geachtet werden, dass die Heizmethode und der Temperaturbereich für das Material geeignet sind. Auch die Geometrie muss berücksichtigt werden, um Abschattungseffekte zu vermeiden. Die speziellen Halterungen für die Heizung oder die mechanische Prüfung haben spezifische geometrische Beschränkungen, und ihre Spezifikationen müssen konsultiert werden¹⁴. Auch Kombinationen dieser Stressoren sind möglich. Die mechanische In-situ-Prüfung erfordert eine zusätzliche Probenvorbereitung auf die entsprechende Geometrie. Es gibt spezielle Stufen für Experimente, um die mechanische Leistung unter verschiedenen Belastungsbedingungen wie Zug, Druck, Biegung, Ermüdung und Kriechen zu testen. Die In-situ-Erwärmung kann sowohl während der Bestrahlung als auch nach der Bestrahlung für Glühuntersuchungen durchgeführt werden. MEMS-basierte oder konduktive Heizstufen können verwendet werden, um Temperaturen bis zu 1000 °C zu regeln. Höhere Temperaturen können mit einem In-situ-Laser erreicht werden, um Proben auf einige tausend Grad Celsius^{zu erhitzen 33}. Die Proben können mit In-situ-Haltern verschiedenen Umgebungen ausgesetzt werden. Dazu gehören verschiedene Gase, Flüssigkeiten und sogar korrosive Umgebungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in situ Mehrstrahl-TEM-Experimente in der Lage sind, extreme Umgebungen zu emulieren und die Mikrostruktur und Materialentwicklung in Echtzeit auf der Nanoskala zu beobachten. Der Einblick in die grundlegenden Mechanismen, die dynamische Prozesse steuern, kann dazu beitragen, Vorhersagemodelle zu informieren, die den Weg für das Design von Materialien der nächsten Generation ebnen. Es ist wichtig, die Proben wie beschrieben vorzubereiten, um die besten Chancen für ein erfolgreiches Experiment zu gewährleisten.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Colutron Beschleuniger	Colutron Research Corporation	G-1	10 kV Ionenbeschleuniger
Cu Omniprobe Lift-Out Grid mit 4	Pfosten Ted Pella	DM71302	Cu Omniprobe Lift-Out Grid mit 4
Pfosten Double Tilt Cryo TEM Stage	Gatan	DT636	Tiefgekühlter Double Tilt TEM Halter
Tilt Heizung TEM Stage	Gatan	DT652	Resistive Heizung mit doppelter Neigung TEM-Halter
I3TEM	JEOL	JEM-2100	Modifiziertes Transmissionselektronenmikroskop für die In-situ-Ionenbestrahlung
Isopropanol	Fisher Scientific	A459-4	70 % v/v Isopropanol
Mo Omniprobe Lift-Out Grid mit 4	Pfosten Ted Pella	DM810113	Mo Omniprobe Lift-Out Grid mit 4 Pfosten
Petrischale	Fisher Scientific	Corning 316060	60 mm Durchmesser 15 mm Höhe Petrischale
Picoindenter TEM Tisch	Bruker Hysitron	PI95	Picoindenter TEM Tisch
Scios 2	Thermofisher Scientfic	SCIOS2	Zweistrahlfokussiertes Ionenstrahl-Rasterelektronenmikroskop
Tandembeschleuniger	High Voltage Engineering Corporation		6 MV Van de Graaff-Pelletron Ionenbeschleuniger
Tomographie-TEM-Halter	Hummingbird		TEM-Halter für Tomographie-Messungen
Pinzette	PELCO	5373-NM	Rückwärts wirkende selbstschließende Pinzette mit feiner Spitze