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Fasci ionici focalizzati

Overview

Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, School of Engineering, Università del Connecticut, Storrs, CT

Man mano che i microscopi elettronici diventano più complessi e ampiamente utilizzati nei laboratori di ricerca, diventa più necessario introdurre le loro capacità. Il fascio iondo focalizzato (FIB) è uno strumento che può essere impiegato per fabbricare, tagliare, analizzare e caratterizzare materiali su scala mico- e nano-scale in un'ampia varietà di campi dalla nanoelettronica alla medicina. I sistemi FIB possono essere pensati come un fascio di ioni che può essere utilizzato per fresare (sputter), depositare e immaginare materiali su micro e nanoscala. Le colonne ioniche dei BB sono comunemente integrate con le colonne elettroniche dei microscopi elettronici a scansione (SEM).

L'obiettivo di questo esperimento è quello di introdurre lo stato dell'arte nelle tecnologie a fascio ionica focalizzato e di mostrare come questi strumenti possono essere utilizzati per fabbricare strutture piccole quanto le membrane più piccole che si trovano nel corpo umano.

Principles

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I sistemi FIB utilizzano un fascio di ioni per fresare, depositare e immaginare campioni su micro e nanoscala. Il fascio si forma in un ambiente ad alto vuoto in cui vengono utilizzati potenziali elettrici selettivi per ionizzare ed estrarre il gallio da una sorgente di ioni metallici liquidi (LMIS). Questo fascio può essere diretto e focalizzato con lenti elettromagnetiche simili alla luce in un microscopio ottico tradizionale. Il raggio quindi rasters per coprire un'area sul campione. Con un diverso tipo di sorgente, un fascio di elettroni può essere utilizzato per l'imaging e la caratterizzazione non distruttivi senza sputtering la superficie del campione, proprio come la microscopia elettronica a scansione (SEM). La combinazione di SEM e FIB apre la strada a fresature e caratterizzazioni a fascio ioio molto innovative. Inoltre, le informazioni tridimensionali possono essere ottenute combinando le operazioni del fascio di elettroni e ioni per eseguire una tomografia (ad esempio fresare una fetta con fascio di ioni, immagine con fascio di elettroni e ripetizione). Generalmente, i campioni conduttivi sono ideali per FIB e SEM perché non raccolgono carica e quindi influenzano il percorso verso l'imaging, la fresatura e la deposizione. Tuttavia, i campioni non conduttivi come la maggior parte dei polimeri e dei campioni biologici possono essere sondati con l'uso della correzione di carica, del rivestimento conduttivo, delle impostazioni di pressione variabile e delle impostazioni del fascio di bassa energia. Avere una comprensione delle basi delle interazioni fascio iondo-solido può migliorare la capacità di ottenere risultati ottimali utilizzando un sistema FIB. La meccanica delle interazioni fascio ionica-solido consiste nei seguenti eventi: gli ioni primari del fascio focalizzato bombardano la superficie, sputter il materiale, espellono elettroni secondari e si impiantano.

La fresatura avviene a causa dello sputtering fisico del bersaglio. Per comprendere il processo di sputtering, è necessario esplorare le interazioni tra il fascio iono e il bersaglio. Lo sputtering avviene come conseguenza di una serie di collisioni elastiche in cui la quantità di moto viene trasferita dagli ioni incidenti agli atomi bersaglio all'interno di una regione chiamata regione a cascata. Questo processo è simile a quello che accade quando una palla di cue colpisce le palle oggetto quando viene preso il colpo di pausa. Un atomo sulla superficie del bersaglio può essere sputtered se riceve un'energia cinetica che supera la sua energia di legame superficiale (SBE). L'energia di legame superficiale è l'energia necessaria per rimuovere un atomo di superficie dal suo reticolo di massa. Una parte di questi atomi espulsi potrebbe essere ionizzata. A causa del bombardamento ionico, possono verificarsi anche interazioni anelastiche. Queste interazioni producono fononi, plasmoni nei metalli ed elettroni secondari (SE). Un FIB standard impiega elettroni secondari per produrre un'immagine. La deposizione può anche essere realizzata dispiegando piccole quantità di molecole di gas precursore sulla superficie del materiale e utilizzando gli ioni impinging per facilitare una reazione chimica in cui il materiale viene depositato sulla superficie. Tuttavia, per questo studio, la fresatura e l'imaging sono gli unici meccanismi coperti.

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Procedure

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1. Fabbricazione di un filtro perforato da una membrana di ossido di silicio spessa 300 nm paragonabile in scala al citoplasma endoteliale dei reni

  1. Caricare la membrana preparata nella camera FIB. Le membrane sono spesso preparate da professionisti (durante la creazione di ponti di Wheatstone) e possono essere acquisite presso siti di fabbricazione di semiconduttori. Per prepararne uno da soli, è necessario utilizzare la fotolitografia. I dettagli di questo processo possono essere visti nel video di fotolitografia della "Bioengineering Collection" sul sito web di JoVE. NOTA: Assicurati di indossare guanti in nitrile quando maneggi il campione o quando entri in contatto con qualsiasi componente interno del FIB/SEM. L'ambiente deve essere mantenuto molto pulito e privo di oli per la pelle.
  2. Accendere il fascio di ioni focalizzati e la pistola elettronica e regolare il campione per ottenere il punto coincidente-eucentrico. Questo è il punto in cui l'area di interesse (la membrana) è nella linea di elettroni e ioni per angoli di inclinazione che vanno da 0 a 54 gradi.
  1. Regolare la corrente del fascio ionico e la tensione di accelerazione del FIB a 30kV e 100pA e concentrarsi su un'area vicina all'area da fresare. Disegnare una matrice di cerchi attraverso il programma di fresatura FIB di un diametro di circa 50nm con una distanza centro-centro di 150nm (vedere Figura 1).
  2. Passare al fascio di elettroni e immaginare l'area a una tensione di accelerazione di 5kV.

Figure 1
Figura 1: Fori fresati FIB nella membrana di ossido di silicio che crea un filtro antiparticolato.

2. Fresatura di un logo su un capello

  1. Metti una ciocca di capelli su uno stub del microscopio usando del nastro di carbonio
  2. Oro / Carbonio rivestono la ciocca di capelli usando un coater sputter. Questo strumento ricopre il campione in pochi nanometri di un materiale conduttivo in modo che possa essere ripreso / sputtered con artefatti di carica minimi.
  3. Accendere il fascio di ioni focalizzato e la pistola elettronica e regolare il punto coincidente-eucentrico.
  4. Regolare la corrente del fascio ionico e la tensione di accelerazione a 30kV con un'apertura di 100pA, rispettivamente, e concentrarsi su un'area di circa 15um x 15um vicino all'area da fresare.
  5. Caricare il modello/logo da fresare come bitmap e regolare la corrente del fascio e la tensione di accelerazione e avviare la fresatura.
  6. Passa al fascio di elettroni e immagina l'area. Questo è mostrato nella Figura 2.

Figure 2
Figura 2: "Buone Feste" fresato su una ragnatela con FIB.

Il fascio iondo focalizzato è uno strumento che può essere utilizzato per fabbricare, tagliare, analizzare e caratterizzare materiali su micro e nanoscala. I fasci ionici focalizzati sono utilizzati in un'ampia varietà di campi, che vanno dall'elettronica alla medicina.

I sistemi a fascio ioio focalizzato accelerano gli ioni metallici liquidi nel vuoto per formare un raggio. Utilizzando una serie di lenti elettromagnetiche, il fascio può essere focalizzato su un'area di circa 10 nanometri di diametro. Quando gli ioni dei fasci ionici focalizzati colpiscono il bersaglio, parte del materiale bersaglio viene sputtered.

A basse correnti primarie del fascio, si verifica pochissimo sputtering e il fascio può essere utilizzato per l'imaging. A correnti più elevate, gli atomi di superficie vengono espulsi. Ciò consente lo sputtering specifico del sito o la fresatura su larga scala dei campioni.

I sistemi a fascio ioiche focalizzato creano un fascio di ioni metallici liquidi sotto vuoto per fresare il materiale da un campione o prenderne un'immagine. All'interno del Focused Ion Beam System, gli ioni metallici liquidi, di solito gallio, vengono estratti da un filamento. Gli ioni vengono accelerati attraverso l'applicazione di tensione, e quindi una serie di lenti elettromagnetiche focalizza il fascio sul bersaglio. Gli ioni metallici si scontrano con il materiale nel campione proprio come fa una palla di cue quando colpisce le palle da biliardo. A basse energie, uno ione metallico elimina gli elettroni secondari, che possono essere raccolti per formare un'immagine della superficie bersaglio. A energie più elevate, gli ioni possono trasferire abbastanza energia cinetica agli atomi nel materiale per superare le loro energie di legame superficiale e disperdersi nel vuoto. Questo è noto come Sputtering.

I fasci ionici focalizzati possono utilizzare lo sputtering per praticare fori in siti specifici, fresare modelli su un bersaglio o persino rimuovere lo strato superficiale da un campione. Rimuovendo ripetutamente e uniformemente uno strato e l'imaging della regione, è possibile costruire immagini tridimensionali di un campione. Una percentuale degli ioni metallici utilizzati dal fascio viene impiantata nel campione. Dopo l'impatto iniziale, uno ione continua a perdere energia attraverso una serie di collisioni fino a quando non si ferma all'interno del campione. La deposizione chimica da vapore può anche essere realizzata dispiegando piccole quantità di molecole di gas precursore sulla superficie del materiale e utilizzando gli ioni di impinging per facilitare una reazione chimica, in cui il gas precursore si rompe e una parte di esso viene depositata sulla superficie insieme ad alcuni degli ioni che impattano. A causa dell'accumulo di ioni metallici su o all'interno del materiale e della dispersione di elettroni secondari dalla superficie, è possibile che la carica possa accumularsi su un bersaglio non conduttore.

Questo accumulo di carica può creare ulteriori campi elettrostatici che alterano il percorso del fascio. Un modo per evitare questo è rivestire campioni non conduttori in un materiale conduttore come oro, oro-palladio o carbonio, prima di utilizzare il sistema a fascio iodico focalizzato. Un fascio iondo focalizzato standard scatta un'immagine del campione raccogliendo gli elettroni secondari sparsi dalle interazioni ioniche. È anche comune includere un fascio di microscopio elettronico a scansione nella stessa camera del fascio di ioni focalizzati.

Per questi sistemi combinati, una volta terminato il fascio iondo focalizzato, il microscopio elettronico a scansione viene utilizzato per scattare un'immagine del campione. Le due travi sono disposte con un angolo di 54 gradi l'una rispetto all'altra. Il campione deve trovarsi nel punto focale sia del fascio ioionario che del fascio di elettroni. Questo è noto come il punto coincidente-eucentrico. Nella prossima sezione, useremo un fascio ionica focalizzato per fresare un logo su un capello al fine di dimostrare la notevole precisione della tecnica.

Assicurarsi di indossare guanti in nitrile quando si maneggia il campione o si toccano componenti interni del microscopio elettronico a scansione a fascio iondo focalizzato.

In questo esperimento, macinamo il logo JoVE su un capello. Per prima cosa, infilare una ciocca di capelli su uno stub del microscopio usando del nastro di carbonio. Prima che i capelli possano essere fresati, devono essere rivestiti in un materiale conduttivo. Usando uno Sputter Coater, rivestire i capelli in un nanometri ad esempio di oro-palladio. Una volta che i capelli sono rivestiti, possiamo caricare il campione nel fascio ionici focalizzato. Posizionare il mozzicone del microscopio contenente i capelli nella camera di caricamento del fascio iondo focalizzato.

Una volta caricato il campione e pompata la camera di imaging, accendere il fascio iondo focalizzato e la pistola elettronica. A basso ingrandimento e utilizzando l'imaging elettronico secondario, orientare il campione per ottenere il punto coincidente-eucentrico. Questo viene in genere eseguito a una distanza di lavoro di cinque millimetri e un'inclinazione dello stadio di 54 gradi.

Per trovare il punto eucentrico, regolate il movimento dello stage verso l'alto nella direzione dell'inclinazione o lungo l'asse m. Non dovrebbe esserci alcuna perdita di vista sul campo quando lo stage è inclinato da zero a 54 gradi. Regolare la tensione di accelerazione del fascio ionico a 32 kilovolt, la corrente di apertura a cinque picoampere per mettere a fuoco il fascio e il livello di dose a due.

Concentrati su un'area di circa 15 micrometri per 15 micrometri. È qui che freseremo il nostro logo.

Ora regola la corrente di apertura a 700 picoamperes per fresare il logo. Caricate la serie da fresare nel fascio iondo focalizzato. In questo caso, il logo JoVE viene creato utilizzando la funzione di testo. Una volta caricato il logo, iniziare il processo di fresatura. A seconda della complessità del logo, questo processo richiederà tra 15 e 30 minuti. Una volta completata la fresatura, è possibile prendere un'immagine dei capelli.

Passare dal fascio iondo focalizzato al microscopio elettronico a scansione. Modificare l'angolo in modo che l'immagine sia ora perpendicolare al SEM e l'immagine dell'area a una tensione di accelerazione di cinque kilovolt. Al termine di questo processo, si è pronti per esaminare l'immagine.

Come puoi vedere, il Focused Ion Beam ha fresato il logo JoVE su una singola ciocca di capelli.

Questa immagine illustra le capacità di fresatura di precisione dei fasci ionici focalizzati. La larghezza del logo è di circa 30 micrometri per 10 micrometri, con una dimensione in pixel di 30 nanometri.

Ora che hai familiarità con le funzionalità dei sistemi a fascio iondo focalizzato, diamo un'occhiata ad alcuni modi in cui vengono utilizzati i fasci ionici focalizzati. Le immagini tridimensionali delle microstrutture all'interno di un campione possono essere create tramite l'imaging tomografico.

Il fascio iondo focalizzato fresa uno strato del campione e quindi viene scattata un'immagine della superficie esposta. Questa immagine delle strutture in una sezione del cervello di ratto è composta da 1.600 immagini, con una risoluzione di profondità di cinque nanometri.

I fasci ionici focalizzati possono fornire un mezzo per la nanofabbricazione di contatti ohmici in semiconduttori a strati. Attraverso l'uso di un gas precursore, viene impedito lo sputtering della superficie del semiconduttore e l'impianto di ioni. Gli ioni metallici si depositano sulla superficie per fornire percorsi di corrente.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai fasci ionici focalizzati. Ora dovresti comprendere i principi alla base dei fasci ionici focalizzati e delle loro interazioni.

Dovresti anche essere a conoscenza di molte delle principali applicazioni della tecnologia Focused Ion Beam, che includono Imaging, Fresatura, Caratterizzazione del campione e Deposizione di ioni.

Grazie per l'attenzione.

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Applications and Summary

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Questo esperimento ha dimostrato come l'uso di microscopi elettronici e fasci ionici focalizzati consenta ai ricercatori di manipolare e fabbricare strutture su microscala. La natura molecolare dell'interazione fascio iondo-materiale focalizzata fornisce al FIB una capacità unica di manipolare materiali su micro e nanoscala. Considerando attentamente come il fascio interagisce con il materiale, mitigando gli artefatti di carica e impostando il sistema per una qualità di fresatura ottimale, un ricercatore può produrre modelli unici su materiali biologici e non biologici che possono, nel caso della membrana di ossido di silicio, funzionare proprio come la sua controparte anatomica. I LOB mostrano un grande potenziale in quest'area di ricerca, ma le tecniche e i materiali utilizzati dovrebbero migliorare molto di più per trovare la loro strada negli organismi viventi. Questi strumenti e tecniche insieme alle tecniche di ingegneria tissutale possono rivoluzionare il modo in cui affrontiamo il trattamento degli organi nel prossimo futuro.

Questo esperimento si è concentrato sul dare un'introduzione ai sistemi a fascio iondo focalizzato (FIB) e dimostrare cosa possono fare. Le loro applicazioni sono vaste. Gli esercizi qui evidenziati hanno evidenziato alcune applicazioni in biologia, che possono variare dalla sezione trasversale di dimensioni micron all'esame di ossa e tessuti alla ricostruzione tridimensionale di piccole parti di un organo. È importante notare che la FIB non è solo uno strumento per l'ingegneria tissutale. Ha molta storia con la microelettronica, gli studi geologici, la produzione additiva, i rivestimenti spray, la preparazione del campione di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e la caratterizzazione generale dei materiali. Esempi all'interno di questi argomenti sono diffusi e possono essere trovati in qualsiasi letteratura relativa alla FIB.

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