Overview
מקור: סיינה שהבזמוהמדי ופיימן שהביגי-רודפושטי-רודפושטי, בית הספר להנדסה, אוניברסיטת קונטיקט, סטורז, CT
ככל שמיקרוסקופי אלקטרונים הופכים למורכבים יותר ונפוצים במעבדות מחקר, זה הופך להיות יותר הכרח להציג את היכולות שלהם. קרן יונים ממוקדת (FIB) היא מכשיר שניתן להשתמש בו על מנת לייצר, לקצץ, לנתח ולאפיין חומרים בקנה מידה של מיקו וננו במגוון רחב של תחומים, החל מננו-אלקטרוניקה ועד לרפואה. ניתן לחשוב על מערכות FIB כקרן של יונים שניתן להשתמש בה כדי לטחון (sputter), פיקדון, וחומרי תמונה על מיקרו וננו-סולמות. עמודות היון של FIBs משולבות בדרך כלל עם עמודות האלקטרונים של מיקרוסקופי אלקטרונים סורקים (SEMs).
מטרת הניסוי היא להציג את מצב האמנות בטכנולוגיות ממוקדות של קרן יונים ולהראות כיצד ניתן להשתמש במכשירים אלה על מנת ליצור מבנים קטנים כמו הקרומים הקטנים ביותר שנמצאים בגוף האדם.
Principles
מערכות FIB משתמשות בקרן של יונים כדי לטחון, להפקיד ולצלם דגימות מיקרו וננו-קנה מידה. הקרן נוצרת בסביבה בעלת ואקום גבוה שבו נעשה שימוש בפוטנציאלים חשמליים סלקטיביים לייננת ולחלץ גליום ממקור יונים ממתכת נוזלית (LMIS). קרן זו יכולה להיות מכוונת וממוקדת בעדשות אלקטרומגנטיות הדומות לאור במיקרוסקופ אופטי מסורתי. הקרן ואז רסטרים כדי לכסות שטח על המדגם. עם סוג אחר של מקור, קרן אלקטרונים יכולה לשמש להדמיה ואפיון לא הרסניים מבלי לרחרח על פני השטח של הדגימה, בדומה לסריקת מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM). השילוב של SEM ו- FIB סולל נתיב לטחינה ואפיון חדשניים מאוד של קורות יונים. בנוסף, ניתן להשיג מידע תלת מימדי על ידי שילוב של פעולות קרן האלקטרונים והיון לביצוע טומוגרפיה (כלומר טחנה פרוסה עם קרן יונים, תמונה עם קרן אלקטרונים, וחוזר חלילה). בדרך כלל, דגימות מוליכות הן אידיאליות עבור FIB ו- SEM מכיוון שהן אינן גובות תשלום ובכך משפיעות על המסלול להדמיה, כרסום ותצהיר. עם זאת, ניתן לחקור דגימות לא מוליכות כמו רוב הפולימרים והדגימות הביולוגיות באמצעות תיקון מטען, ציפוי מוליך, הגדרות לחץ משתנות והגדרות קרן אנרגיה נמוכה. הבנה של היסודות של אינטראקציות קרן יון מוצק עשוי לשפר את היכולת להשיג תוצאות אופטימליות באמצעות מערכת FIB. המכניקה של אינטראקציות מוצקות קרן יונים מורכבת באירועים הבאים: יונים ראשוניים של הקרן הממוקדת מפגיזים את פני השטח, חומר מקרטעת, פולטים אלקטרונים משניים ומשתילים את עצמם.
כרסום מתרחשת עקב ההתקוטטות הפיזית של המטרה. על מנת להבין את תהליך ההסתעפות, יש לחקור את האינטראקציות בין קרן היון לבין המטרה. התקוטטות מתרחשת כתוצאה מסדרה של התנגשויות אלסטיות שבהן המומנטום מועבר מיוני האירוע לאטומי המטרה בתוך אזור הנקרא אזור מפל. תהליך זה דומה למה שקורה כאשר כדור קיו פוגע בכדורי האובייקט כאשר לוקחים את זריקת ההפסקה. אטום על פני השטח של המטרה עשוי להיות מטוטח אם הוא מקבל אנרגיה קינטית העולה על אנרגיית כריכת פני השטח שלו (SBE). אנרגיית כריכת פני השטח היא האנרגיה הדרושה להסרת אטום פני השטח מהסריג בתפזורת שלו. חלק מהאטומים שנפלטו אלה עשוי להיות מיונן. בגלל הפגזת יונים, אינטראקציות inelastic יכול לקרות גם. אינטראקציות אלה מייצרות פונונים, פלסמונים במתכות ואלקטרונים משניים (SE). FIB סטנדרטי משתמש באלקטרונים משניים כדי לייצר תמונה. התצהיר יכול להתבצע גם על ידי פריסת כמויות קטנות של מולקולות גז מבשר על פני השטח של החומר ושימוש יונים המעכבים כדי להקל על תגובה כימית שבו החומר מופקד על פני השטח. למרות, עבור מחקר זה, כרסום והדמיה הם המנגנונים היחידים המכוסים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. ייצור מסנן מחורר מקרום תחמוצת סיליקון בעובי 300 ננומטר הדומה בקנה מידה לציטופלזמה האנדותל של הכליות
- טען את הממברנה כפי שהוכנה לתוך תא FIB. הממברנות מוכנות לעתים קרובות על ידי אנשי מקצוע (בעת יצירת גשרי וויטסטון) וניתן לרכושן באתרי ייצור מוליכים למחצה. כדי להכין אחד בעצמך, יש להשתמש בפוטוליתוגרפיה. את פרטי תהליך זה ניתן לראות בסרטון הפוטו-הנדסה של "אוסף הביו-הנדסה" באתר JoVE. הערה: יש להקפיד ללבוש כפפות ניטריל בעת טיפול במדגם או בעת מגע עם רכיבים פנימיים כלשהם של FIB / SEM. הסביבה חייבת להישמר נקייה מאוד וללא כל שמני עור.
- הפעל את קרן היונים והאקדח האלקטרונים הממוקדים ולהתאים את המדגם כדי להשיג את הנקודה האוצנטרית-אוצנטרית. זוהי הנקודה שבה אזור העניין (הממברנה) נמצא בקו האלקטרונים והיונים לזוויות הטיה הנעות בין 0-54 מעלות.
- כוונן את זרם קרן היון ואת המתח המאיץ של ה- FIB ל- 30kV ו- 100pA והתמקד באזור הקרוב לאזור שיש לטחון. צייר מטריצה של עיגולים דרך תוכנית כרסום FIB בקוטר של כ-50 ננומטר, עם מרחק מרכז למרכז של 150 ננומטר (ראו איור 1).
- שינוי לקרן אלקטרונים ותמונה האזור במתח מואץ של 5kV.
איור 1: FIB טחן חורים בקרום תחמוצת הסיליקון יצירת מסנן חלקיקים.
2. כרסום לוגו על שערה
- שים קווצת שיער על ספח מיקרוסקופ באמצעות סרט פחמן
- זהב/פחמן מצפים את קווצת השיער באמצעות מעיל מקרטעת. כלי זה מכסה את המדגם בכמה ננומטרים של חומר מוליך כך שניתן לדמיין / לקטר עם חפצי טעינה מינימליים.
- הפעל את קרן היונים והאקדח האלקטרונים הממוקדים והתאימו לנקודה האוצנטרית-אוצנטרית.
- כוונן את זרם קרן היון והאצת המתח ל- 30kV עם צמצם 100pA, בהתאמה, והתמקד באזור של כ- 15um x 15um קרוב לאזור שיש לטחון.
- טען את התבנית / הלוגו כדי להיות טחון כמפת סיביות ולהתאים את זרם הקרן ואת המתח מאיץ ולהתחיל כרסום.
- שינוי לקרן אלקטרונים ותמונה של האזור. זה מוצג באיור 2.
איור 2: "חג שמח" טחון על קורי עכביש עם FIB.
קרן היון הממוקדת היא מכשיר שניתן להשתמש בו כדי לפברק, לקצץ, לנתח ולאפיין חומרים בקנה מידה של מיקרו וננו. קורות יון ממוקדות משמשות במגוון רחב של תחומים, החל מאלקטרוניקה ועד רפואה.
מערכות קרן יון ממוקדות מאיצות יונים ממתכת נוזלית בוואקום ליצירת קרן. באמצעות סדרה של עדשות אלקטרומגנטיות, הקרן יכולה להיות ממוקדת על שטח של כ 10 ננומטר קוטר. כאשר היונים של קורות היון הממוקדות פוגעים במטרה, חלק מחומר המטרה מנומר.
בזרמי קרן ראשיים נמוכים, מתרחשת מעט מאוד חבטות וניתן להשתמש בקורה להדמיה. בזרמים גבוהים יותר, אטומי פני השטח נפלטים. הדבר מאפשר טחינה ספציפית לאתר או כרסום בקנה מידה גדול יותר של דגימות.
מערכות קרן יון ממוקדות יוצרות קרן של יונים ממתכת נוזלית תחת ואקום כדי לטחון חומר מדגם או לצלם אותו. בתוך מערכת קרן היון הממוקדת, יונים מתכת נוזליים, בדרך כלל גליום, מופקים חוט. היונים מואצים באמצעות יישום של מתח, ולאחר מכן סדרה של עדשות אלקטרומגנטיות ממקד את הקרן על היעד. יונים מתכת להתנגש עם החומר במדגם ממש כמו כדור קיו עושה בעת פגיעה כדורי ביליארד. באנרגיות נמוכות, יון מתכת מפיל אלקטרונים משניים, שניתן לאסוף כדי ליצור תמונה של משטח המטרה. באנרגיות גבוהות יותר, היונים עשויים להעביר מספיק אנרגיה קינטית לאטומים בחומר כדי להתגבר על אנרגיות כריכת פני השטח שלהם ולהתפזר לתוך הוואקום. זה ידוע בשם ספוטלינג.
קורות יון ממוקדות יכולות להשתמש ב-sputtering כדי לנקב חורים באתרים ספציפיים, לטחון דפוסים על מטרה, או אפילו להסיר את שכבת פני השטח מדגם. על ידי הסרה חוזרת ואחידות של שכבה והדמיה של האזור, ניתן לבנות תמונות תלת ממדיות של מדגם. אחוז מיוני המתכת המשמשים את הקרן מושתלים במדגם. לאחר הפגיעה הראשונית, יון ממשיך לאבד אנרגיה באמצעות סדרה של התנגשויות עד שהוא מפסיק בתוך המדגם. תצהיר אדים כימיים יכול להתבצע גם על ידי פריסת כמויות קטנות של מולקולות גז מבשר על פני השטח של החומר ושימוש יונים מעכבים כדי להקל על תגובה כימית, שבו גז מבשר מתפרק וחלק ממנו מופקד על פני השטח יחד עם כמה יונים מעכבים. בשל הצטברות של יונים מתכת על או בתוך החומר, ופיזור אלקטרונים משניים מפני השטח, ייתכן כי המטען יכול לבנות על מטרה שאינה מוליך.
הצטברות מטען זו יכולה ליצור שדות אלקטרוסטטיים נוספים המשנים את נתיב הקרן. אחת ה דרך למנוע זאת היא על ידי ציפוי דגימות שאינן מוליכות בחומר ניצוח כגון זהב, זהב-פלדיום או פחמן, לפני השימוש במערכת קרן יון ממוקדת. קרן יון ממוקדת סטנדרטית לוקחת תמונה של המדגם על ידי איסוף האלקטרונים המשניים הפזורים מאינטראקציות היונים. זה גם נפוץ לכלול סורק קרן מיקרוסקופ אלקטרונים באותו תא כמו קרן יון ממוקדת.
עבור מערכות משולבות אלה, לאחר סיום קרן היון הממוקדת, מיקרוסקופ האלקטרונים הסריקה משמש לתמונת המדגם. שתי הקורות מסודרות בזווית של 54 מעלות ביחס זו לזו. המדגם חייב להיות בנקודת המוקד של קרן היון וקרן האלקטרונים. זה ידוע בשם הנקודה האוצנטרית-אוצנטרית. בחלק הבא, נשתמש בקרן יון ממוקדת כדי לטחון לוגו על שערה על מנת להדגים את הדיוק המדהים של הטכניקה.
הקפידו ללבוש כפפות ניטריל בעת טיפול במדגם או נגיעה ברכיבים פנימיים של מיקרוסקופ אלקטרונים סריקת קרן יון ממוקדת.
בניסוי זה, נטחן את הלוגו של JoVE על שערה. ראשית, לתקוע קווצת שיער על ספח מיקרוסקופ באמצעות סרט פחמן. לפני השיער יכול להיות כרסום, זה חייב להיות מצופה בחומר מוליך. באמצעות קויטר Sputter, לצפות את השיער למשל ננומטרים של זהב-פלדיום. ברגע שהשיער מצופה, נוכל לטעון את הדגימה לתוך קרן היון הממוקדת. מניחים את תפח המיקרוסקופ המכיל את השיער בתא הטעינה הממוקד של קרן היון.
ברגע שהדגימה נטענת ותא ההדמיה הוא משאבה למטה, להפעיל את קרן היון הממוקד ואת אקדח האלקטרונים. בהגדלה נמוכה, ובאמצעות הדמיית אלקטרונים משנית, כוון את המדגם כדי להשיג את הנקודה האוצנטרית-אוצנטרית. זה מבוצע בדרך כלל במרחק עבודה של חמישה מילימטר והטיית במה של 54 מעלות.
כדי למצוא את הנקודה האוצנטרית, התאימו את תנועת השלב כלפי מעלה לכיוון הטיה או לאורך ציר ה-m. לא אמור להיות אובדן תצוגת שדה כאשר הבמה מוטה מאפס ל- 54 מעלות. כוונן את מתח האצת קרן היון ל-32 קילו-וולט, את זרם הצמצם לחמישה פיקומפרים כדי למקד את הקרן ואת רמת המינון לשניים.
התמקדו בשטח של כ-15 מיקרומטר על 15 מיקרומטר. כאן נטחן את הלוגו שלנו.
כעת כווננו את זרם הצמצם ל-700 פיקומפרים כדי לטחון את הלוגו. טען את התבנית כדי להיות טחון לתוך קרן היון הממוקדת. במקרה זה, סמל JoVE נוצר באמצעות פונקציית הטקסט. לאחר טעינת הלוגו, התחל את תהליך הטחינה. בהתאם למורכבות הלוגו, תהליך זה ייקח בין 15 ל -30 דקות. לאחר הטחינה הושלמה, תמונה של השיער ניתן לקחת.
מעבר מקרן היון הממוקדת למיקרוסקופ האלקטרונים הסורק. שנה את הזווית כך שהתמונה תהיה מאונכת כעת ל- SEM וצלם את האזור במתח מואץ של חמישה קילו-וולט. לאחר השלמת תהליך זה, אתה מוכן לבחון את התמונה.
כפי שניתן לראות, קרן היון הממוקדת טחנה את הלוגו של JoVE על קווצת שיער אחת.
תמונה זו מדגימה את יכולות הטחינה המדויקות של קורות יון ממוקדות. רוחב הלוגו הוא כ-30 מיקרומטר על 10 מיקרומטר, עם גודל פיקסל של 30 ננומטר.
כעת, כאשר אתם מכירים את היכולות של מערכות קרן יון ממוקדות, בואו נבחן כמה דרכים בהן נעשה שימוש ב-Ion Beams הממוקדות. ניתן ליצור תמונות תלת מימדיות של מיקרו-מבנים בתוך מדגם באמצעות הדמיה טומוגרפית.
קרן היון הממוקדת טחנת שכבה של המדגם ולאחר מכן תמונה נלקחת של המשטח החשוף. תמונה זו של המבנים בחלק של מוח חולדה מורכבת מ -1,600 תמונות, עם רזולוציית עומק של חמישה ננומטרים.
קורות יון ממוקדות יכולות לספק אמצעי לננו-פייברציה של אנשי קשר אוהמיים במוליכים למחצה בשכבות. באמצעות שימוש בגז מבשר, מנעו ליקוט של משטח מוליכים למחצה והשתלת יונים. יוני המתכת מופקדים על פני השטח כדי לספק מסלולים נוכחיים.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב אל קורות היון הממוקדות. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות מאחורי קורות יון ממוקדות ואת האינטראקציות שלהם.
אתה צריך גם להיות מודע לרבים מהיישומים העיקריים של טכנולוגיית קרן Ion ממוקדת, הכוללים הדמיה, כרסום, אפיון מדגם ותצהיר יון.
תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ניסוי זה הדגים כיצד שימוש במיקרוסקופי אלקטרונים ובקורני יונים ממוקדים מאפשר לחוקרים לתפעל ולזיוף מבנים מיקרו-קנה-קנה מידה. האופי המולקולרי של האינטראקציה הממוקדת בין קרן היון לחומר מספק ל-FIB יכולת ייחודית לתפעל חומרים בקנה מידה זעיר וננו. על ידי התבוננות קפדנית באופן שבו הקרן מתקשרת עם החומר, מקלה על חפצי טעינה ומגדירה את המערכת לאיכות כרסום אופטימלית, חוקר יכול לייצר דפוסים ייחודיים על חומרים ביולוגיים ולא ביולוגיים שיכולים, במקרה של קרום תחמוצת הסיליקון, לבצע בדיוק כמו המקביל האנטומי שלה. FIBs להראות הרבה פוטנציאל בתחום זה של מחקר אבל טכניקות והחומרים המשמשים צריך לשפר הרבה יותר למציאת דרכם לתוך האורגניזמים החיים. מכשירים וטכניקות אלה לצד טכניקות הנדסת רקמות יכולים לחולל מהפכה באופן שבו אנו ניגשים לטיפול באיברים בעתיד הקרוב.
ניסוי זה התמקד במתן מבוא למערכות קרן יונים ממוקדות (FIB) והדגמת מה הן יכולות לעשות. היישומים שלהם עצומים. התרגילים כאן הדגישו כמה יישומים בביולוגיה, אשר יכול לנוע בין חתך בגודל מיקרון לבדיקת עצם ורקמות לשחזור תלת מימדי של חלקים קטנים של איבר. חשוב לציין כי FIB הוא לא רק כלי להנדסת רקמות. יש לו היסטוריה רבה עם מיקרואלקטרוניקה, מחקרים גיאולוגיים, ייצור תוספים, ציפויי ריסוס, הכנת מדגם מיקרוסקופיה אלקטרונית שידור (TEM) ואפיון חומרים כללי. דוגמאות בנושאים אלה נפוצות וניתן למצוא אותן בכל ספרות הקשורה ל- FIB.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
