Materialen verwerken op nanoschaal, prototypes maken voor micro-elektronica of biologische monsters analyseren:het scala aan toepassingen voor fijn gefocusseerde ionenbundels is enorm. Deskundigen van het EU-samenwerkingsverband FIT4NANO hebben nu de vele opties bekeken en een routekaart voor de toekomst ontwikkeld.

Het artikel, gepubliceerd in Applied Physics Reviews , is bedoeld voor studenten, gebruikers uit de industrie en de wetenschap en beleidsmakers op het gebied van onderzoek.

“We realiseerden ons dat gefocusseerde ionenbundels op veel verschillende manieren kunnen worden gebruikt, en we dachten aan het begin van het project een goed overzicht te hebben. Maar toen ontdekten we dat er veel meer toepassingen zijn dan we dachten. In veel publicaties wordt het gebruik van gefocuste ionenbundels wordt niet eens expliciet vermeld, maar is verborgen in de sectie methoden", zegt Dr. Katja Höflich, natuurkundige aan het Ferdinand-Braun-Institut en het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), die het uitgebreide rapport coördineerde.

"Het was speurwerk. We troffen vooral werk aan uit de jaren zestig en zeventig dat zijn tijd ver vooruit was en ten onrechte vergeten. Zelfs vandaag de dag leveren ze nog steeds belangrijke inzichten op."

Het rapport geeft een overzicht van de huidige stand van zaken op het gebied van Focused Ion Beam (FIB)-technologie, de toepassingen ervan met vele voorbeelden, de belangrijkste apparatuurontwikkelingen en toekomstperspectieven.

"We wilden een naslagwerk bieden dat nuttig is voor academisch onderzoek en industriële R&D-afdelingen, maar ook onderzoeksmanagement helpt hun weg te vinden op dit gebied", zegt dr. Gregor Hlawacek, groepsleider bij het Institute of Ion Beam Physics and Materials Onderzoek bij Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Hlawacek leidt het FIT4NANO-project, een EU-project over FIB-technologieën, waarbij de auteurs van het rapport betrokken zijn.

Van fundamenteel onderzoek tot het voltooide onderdeel

FIB-instrumenten gebruiken een gefocusseerde ionenbundel van doorgaans twee tot 30 kilo-elektronvolt (keV). Met zijn kleine diameter in het nanometer- en sub-nanometerbereik scant een dergelijke ionenbundel het monster en kan het oppervlak ervan met nanometerprecisie veranderen. FIB-instrumenten zijn een universeel hulpmiddel voor analyse, maskerloze lokale materiaalmodificatie en snelle prototyping van micro-elektronische componenten. De eerste FIB-instrumenten werden in de halfgeleiderindustrie gebruikt om fotomaskers met gefocusseerde galliumionen te corrigeren. Tegenwoordig zijn FIB-instrumenten verkrijgbaar met veel verschillende soorten ionen.

Een belangrijke toepassing is de voorbereiding van monsters voor beeldvorming met hoge resolutie en nanometerprecisie in de elektronenmicroscoop. FIB-methoden worden ook gebruikt in de levenswetenschappen, bijvoorbeeld om micro-organismen en virussen te analyseren en in beeld te brengen met op FIB gebaseerde tomografie, waardoor diepgaande inzichten worden verkregen in microscopische structuren en hun functie.

FIB-instrumenten evolueren voortdurend naar andere energieën, zwaardere ionen en nieuwe mogelijkheden, zoals het ruimtelijk opgelost genereren van afzonderlijke atomaire defecten in overigens perfecte kristallen. Dergelijke FIB-verwerking van materialen en componenten heeft een enorm potentieel in de kwantum- en informatietechnologie. Het scala aan toepassingen, van fundamenteel onderzoek tot het voltooide apparaat, van natuurkunde, materiaalkunde en scheikunde tot levenswetenschappen en zelfs archeologie, is absoluut uniek.

"We hopen dat deze routekaart zal inspireren tot wetenschappelijke en technologische doorbraken en zal fungeren als een broedplaats voor toekomstige ontwikkelingen", zegt Gregor Hlawacek.

Meer informatie: Katja Höflich et al, Routekaart voor gefocusseerde ionenbundeltechnologieën, Applied Physics Reviews (2023). DOI:10.1063/5.0162597

Journaalinformatie: Technische natuurkunderecensies

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra