Fasci ionici focalizzati

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.

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.

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.

3. 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).
4. Passare al fascio di elettroni e immaginare l'area a una tensione di accelerazione di 5kV.

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.

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

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.