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Vigas de iones enfocadas

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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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