Overview
Fuente: Sina Shahbazmohamadi y Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escuela de Ingeniería, Universidad de Connecticut, Storrs, CT
A medida que los microscopios electrónicos se vuelven más complejos y ampliamente utilizados en los laboratorios de investigación, se vuelve más una necesidad introducir sus capacidades. El haz iónico focalizado (FIB) es un instrumento que se puede emplear con el fin de fabricar, recortar, analizar y caracterizar materiales en mico- y nanoescalas en una amplia variedad de campos, desde la nanoelectrónica hasta la medicina. Los sistemas FIB se pueden considerar como un haz de iones que se pueden utilizar para fresar (sputter), depositar y convertir materiales en micro y nanoescalas. Las columnas ióniales de los FIB se integran comúnmente con las columnas de electrones de los microscopios electrónicos de barrido (SEM).
El objetivo de este experimento es introducir el estado de la técnica en tecnologías de haz de iones enfocados y mostrar cómo estos instrumentos se pueden utilizar con el fin de fabricar estructuras que son tan pequeñas como las membranas más pequeñas que se encuentran en el cuerpo humano.
Principles
Los sistemas FIB utilizan un haz de iones para fresar, depositar e imágenes de muestras a micro escala y nanoescala. El haz se forma en un entorno de alto vacío donde se utilizan potenciales eléctricos selectivos para ionizar y extraer galio de una fuente de iones de metal líquido (LMIS). Este haz se puede dirigir y enfocar con lentes electromagnéticas similares a la luz en un microscopio óptico tradicional. A continuación, la viga se rastera para cubrir un área de la muestra. Con un tipo diferente de fuente, un haz de electrones se puede utilizar para imágenes no destructivas y caracterización sin esputar la superficie de la muestra, al igual que la microscopía electrónica de barrido (SEM). La combinación de SEM y FIB allana un camino para fresados de vigas iónicas muy innovadores y caracterización. Además, la información tridimensional se puede obtener combinando las operaciones de haz de electrones e iones para realizar una tomografía (es decir, fresar una rebanada con haz de iones, la imagen con haz de electrones y repetir). Generalmente, las muestras conductoras son ideales para FIB y SEM porque no recogen carga y, por lo tanto, afectan la vía hacia la toma de imágenes, el fresado y la deposición. Sin embargo, las muestras no conductivas como la mayoría de los polímeros y muestras biológicas se pueden sondear con el uso de corrección de carga, recubrimiento conductor, ajustes de presión variable y ajustes de haz de baja energía. Tener una comprensión de los conceptos básicos de las interacciones de haz de iones sólidos puede mejorar la capacidad de lograr resultados óptimos utilizando un sistema FIB. La mecánica de las interacciones de haz iónico-sólido consiste en los siguientes eventos: iones primarios del haz enfocado bombardean la superficie, esputo material, expulsar electrones secundarios e implantarse a sí mismos.
El fresado se produce debido al sputtering físico del objetivo. Para entender el proceso de sputtering, las interacciones entre el haz iónico y el objetivo deben ser exploradas. La sputtering tiene lugar como consecuencia de una serie de colisiones elásticas en las que el impulso se transfiere de los iones incidentes a los átomos de destino dentro de una región que se denomina región en cascada. Este proceso es similar a lo que sucede cuando una bola cue golpea las bolas de objeto cuando se toma el disparo de rotura. Un átomo en la superficie del objetivo puede ser sputtered si recibe una energía cinética que excede su energía de unión superficial (SBE). La energía de unión a la superficie es la energía necesaria para eliminar un átomo de superficie de su celosía a granel. Una parte de estos átomos expulsados podría ser ionizada. Debido al bombardeo de iones, también pueden ocurrir interacciones inelásticas. Estas interacciones producen fonones, plasmones en metales y electrones secundarios (SE). Un FIB estándar emplea electrones secundarios para producir una imagen. La deposición también se puede lograr desplegando pequeñas cantidades de moléculas de gas precursoras en la superficie del material y utilizando los iones que impiden para facilitar una reacción química donde el material se deposita en la superficie. Sin embargo, para este estudio, el fresado y la toma de imágenes son los únicos mecanismos cubiertos.
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Procedure
1. Fabricación de un filtro perforado a partir de una membrana de óxido de silicio de 300 nm de espesor comparable en escala al citoplasma endotelial de los riñones
- Cargue la membrana preparada en la cámara FIB. Las membranas son a menudo preparadas por profesionales (al crear puentes Wheatstone) y se pueden adquirir en sitios de fabricación de semiconductores. Para preparar uno usted mismo, se debe utilizar la fotolitografía. Los detalles de este proceso se pueden ver en el video de fotolitografía de la "Colección de Bioingeniería" en el sitio web de JoVE. NOTA: Asegúrese de usar guantes de nitrilo al manipular la muestra o al entrar en contacto con cualquier componente interno de la FIB/SEM. El medio ambiente debe mantenerse muy limpio y libre de aceites para la piel.
- Encienda el haz de iones enfocado y la pistola de electrones y ajuste la muestra para lograr el punto coincidente-eucéntrico. Este es el punto donde el área de interés (la membrana) está en la línea de electrones e iones para ángulos de inclinación que van de 0-54 grados.
- Ajuste la corriente del haz de iones y la tensión de aceleración de la FIB a 30kV y 100pA y concéntrese en un área cercana al área a fresar. Dibuje una matriz de círculos a través del programa de fresado FIB de un diámetro de alrededor de 50 nm con una distancia de centro a centro de 150 nm (consulte la figura 1).
- Cambie al haz de electrones y la imagen del área a una tensión de aceleración de 5kV.
Figura 1: FiB agujeros fresados en membrana de óxido de silicio creando filtro de partículas.
2. Fresado de un logotipo en un cabello
- Coloque una hebra de cabello en un talón de microscopio usando cinta adhesiva de carbono
- Recubrir el cabello con una capa de esputo. Esta herramienta recubre la muestra en unos pocos nanómetros de un material conductor para que pueda ser imagen / sputtered con artefactos de carga mínimos.
- Encienda el haz de iones enfocado y la pistola de electrones y ajuste el punto de eucéntrico coincidente.
- Ajuste la corriente del haz de iones y la tensión de aceleración a 30 kV con una apertura de 100pA, respectivamente, y concéntrese en un área de aproximadamente 15um x 15um cerca del área a fresar.
- Cargue el patrón/logotipo que se va a fresar como mapa de bits y ajuste la corriente de la viga y la tensión de aceleración e inicie el fresado.
- Cambie al haz de electrones y la imagen del área. Esto se muestra en la Figura 2.
Figura 2: "Felices Fiestas" fresadas en una tela de araña con FIB.
El haz de iones enfocado es un instrumento que se puede utilizar para fabricar, recortar, analizar y caracterizar materiales en micro y nano escalas. Los haces de iones enfocados se utilizan en una amplia variedad de campos, que van desde la electrónica hasta la medicina.
Los sistemas de haz de iones enfocados aceleran los iones metálicos líquidos en un vacío para formar una viga. Usando una serie de lentes electromagnéticas, el haz se puede enfocar en un área de unos 10 nanómetros de diámetro. Cuando los iones de las vigas de iones focales enfocadas golpean al objetivo, parte del material objetivo es salteado.
En corrientes de haz primario baja, se produce muy poco sputtering y el haz se puede utilizar para la toma de imágenes. A corrientes más altas, los átomos de superficie se expulsan. Esto permite el sputtering específico del sitio o el fresado a mayor escala de muestras.
Los sistemas de vigas de iones enfocados crean un haz de iones metálicos líquidos al vacío con el fin de fresar material a partir de una muestra o tomar una imagen de él. Dentro del sistema de haz de iones focalizados, los iones metálicos líquidos, generalmente de galio, se extraen de un filamento. Los iones se aceleran a través de la aplicación de voltaje, y luego una serie de lentes electromagnéticas enfoca el haz en el objetivo. Los iones metálicos chocan con el material de la muestra como lo hace una bola de taco cuando golpea bolas de billar. A bajas energías, un ion metálico derriba los electrones secundarios, que se pueden recoger para formar una imagen de la superficie objetivo. A energías superiores, los iones pueden transferir suficiente energía cinética a los átomos en el material para superar sus energías de unión a la superficie y dispersarse en el vacío. Esto se conoce como Sputtering.
Las vigas de iones enfocadas pueden utilizar el sputtering para perforar agujeros en sitios específicos, fresar patrones en un objetivo o incluso eliminar la capa de superficie de una muestra. Al eliminar repetida y uniformemente una capa y la toma de imágenes de la región, se pueden construir imágenes tridimensionales de una muestra. Un porcentaje de los iones metálicos utilizados por el haz se implantan en la muestra. Después del impacto inicial, un ion continúa perdiendo energía a través de una serie de colisiones hasta que se detiene dentro de la muestra. La deposición de vapor químico también se puede lograr desplegando pequeñas cantidades de moléculas de gas Precursor en la superficie del material y utilizando los iones que impiden facilitar una reacción química, en la que el gas Precursor se descompone y una parte de él es depositado en la superficie junto con algunos de los iones que impiden. Debido a la acumulación de iones metálicos en o dentro del material, y la dispersión de electrones secundarios de la superficie, es posible que la carga se pueda acumular en un objetivo no conductor.
Esta acumulación de carga puede crear campos electrostáticos adicionales que alteran la trayectoria del haz. Una manera de prevenir esto es recubriendo muestras no conductoras en un material conductor como oro, oro-paladio o carbono, antes de usar el sistema de haz de iones enfocado. Un haz de iones enfocado estándar toma una imagen de la muestra mediante la recopilación de los electrones secundarios dispersos de las interacciones iónicos. También es común incluir un haz de microscopio electrónico de escaneo en la misma cámara que el haz de iones enfocado.
Para estos sistemas combinados, una vez que el haz de iones focalizados ha terminado, el microscopio electrónico de escaneo se utiliza para tomar una imagen de la muestra. Las dos vigas están dispuestas en un ángulo de 54 grados en relación entre sí. La muestra debe estar en el punto focal tanto del haz de iones como del haz de electrones. Esto se conoce como el punto coincidente-eucéntrico. En la siguiente sección, usaremos un haz de iones enfocado para moldar un logotipo en un cabello con el fin de demostrar la notable precisión de la técnica.
Asegúrese de usar guantes de nitrilo al manipular la muestra o tocar los componentes internos del microscopio electrónico de barrido de haz de iones enfocado.
En este experimento, vamos a molir el logotipo de JoVE en un cabello. En primer lugar, pegue un mechón de pelo en un talón de microscopio con cinta de carbono. Antes de que el cabello pueda ser molido, debe ser recubierto con un material conductor. Usando un Sputter Coater, recubre el cabello en un por ejemplo nanómetros de oro-paladio. Una vez que el cabello está recubierto, podemos cargar la muestra en el haz de iones enfocados. Coloque el talón del microscopio que contiene el cabello en la cámara de carga de haz de iones enfocado.
Una vez cargada la muestra y la cámara de imágenes se bombea hacia abajo, encienda el haz de iones enfocado y la pistola de electrones. Con un aumento bajo, y utilizando imágenes electrónicas secundarias, oriente la muestra para lograr el punto coincidente-eucéntrico. Esto se realiza típicamente a una distancia de trabajo de cinco milímetros y una inclinación de etapa de 54 grados.
Para encontrar el punto eucéntrico, ajuste el movimiento de escenario hacia arriba en la dirección de la inclinación o a lo largo del eje m. No debe haber pérdida de vista de campo cuando el escenario se inclina de cero a 54 grados. Ajuste el voltaje de aceleración del haz de iones a 32 kilovoltios, la corriente de apertura a cinco picoamperes para enfocar el haz, y el nivel de dosis a dos.
Concéntrese en un área de unos 15 micrómetros por 15 micrómetros. Aquí es donde vamos a molestar nuestro logotipo.
Ahora ajusta la corriente de apertura a 700 picoamperes para fresar el logotipo. Cargue el patrón que se va a fresar en la viga de iones enfocada. En este caso, el logotipo de JoVE se crea mediante la función de texto. Una vez cargado el logotipo, comience el proceso de fresado. Dependiendo de la complejidad del logotipo, este proceso tardará entre 15 y 30 minutos. Una vez completado el fresado, se puede tomar una imagen del cabello.
Cambie del haz de iones enfocado al microscopio electrónico de escaneo. Cambie el ángulo para que la imagen sea ahora perpendicular al SEM e idee el área con un voltaje de aceleración de cinco kilovoltios. Cuando se complete este proceso, estará listo para examinar la imagen.
Como puedes ver, el rayo de iones enfocado ha fresado el logotipo de JoVE en un solo mechón de pelo.
Esta imagen muestra las capacidades de fresado de precisión de las vigas de iones focales. La anchura del logotipo es de aproximadamente 30 micrómetros por 10 micrómetros, con un tamaño de píxel de 30 nanómetros.
Ahora que está familiarizado con las capacidades de Focused Ion Beam Systems, echemos un vistazo a algunas maneras en que se utilizan los haces de iones enfocados. Las imágenes tridimensionales de microestructuras dentro de una muestra se pueden crear a través de imágenes tomográficas.
El haz de iones enfocado sella una capa de la muestra y luego se toma una imagen de la superficie expuesta. Esta imagen de las estructuras en una sección de cerebro de rata consta de 1.600 imágenes, con una resolución de profundidad de cinco nanómetros.
Las vigas de iones enfocadas pueden proporcionar un medio para la nanofabricación de contactos ohmicos en semiconductores en capas. Mediante el uso de un gas Precursor, se evita la esputión de la superficie de Semiconductor y la implantación de iones. Los iones metálicos se depositan en la superficie para proporcionar vías actuales.
Acabas de ver la Introducción de JoVE a los rayos de iones enfocados. Ahora deberías entender los Principios detrás de los rayos de iones enfocados y sus interacciones.
También debe tener en cuenta muchas de las aplicaciones principales de la tecnología Focused Ion Beam, que incluyen imágenes, fresado, caracterización de muestras y deposición de iones.
Gracias por mirar.
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Applications and Summary
Este experimento demostró cómo el uso de microscopios electrónicos y haces iónicas enfocados permite a los investigadores manipular y fabricar estructuras a microescala. La naturaleza molecular de la interacción entre haz de iones y materiales enfocados proporciona a la FIB una capacidad única para manipular materiales en las micro escalas y nanoescalas. Al considerar cuidadosamente cómo el haz interactúa con el material, mitigando los artefactos de carga y estableciendo el sistema para una calidad de fresado óptima, un investigador puede producir patrones únicos en materiales biológicos y no biológicos que pueden, en el caso de membrana de óxido de silicio, realizar al igual que su contraparte anatómica. Los FIB muestran mucho potencial en esta área de investigación, pero las técnicas y los materiales utilizados deberían mejorar mucho más para encontrar su camino en los organismos vivos. Estos instrumentos y técnicas junto con las técnicas de ingeniería de tejidos pueden revolucionar la forma en que abordamos el tratamiento de los órganos en un futuro próximo.
Este experimento se centró en dar una introducción a los sistemas de haz iónicos enfocados (FIB) y demostrar lo que pueden hacer. Sus aplicaciones son enormes. Los ejercicios aquí destacaron algunas aplicaciones en biología, que pueden ir desde el corte transversal de tamaño de micras hasta el examen de hueso y tejido hasta la reconstrucción tridimensional de pequeñas partes de un órgano. Es importante tener en cuenta que la FIB no es sólo una herramienta para la ingeniería de tejidos. Tiene mucha historia con microelectrónica, estudios geológicos, fabricación aditiva, recubrimientos por pulverización, preparación de muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y caracterización general de materiales. Los ejemplos dentro de estos temas están muy extendidos y se pueden encontrar en cualquier literatura relacionada con la FIB.
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