Microscopen liegen niet bepaald, maar hun beperkingen beïnvloeden de waarheden die ze kunnen vertellen. Bijvoorbeeld, scanning elektronenmicroscopen (SEM's) kunnen eenvoudigweg geen materialen zien die elektriciteit niet goed geleiden, en hun hoge energieën kunnen sommige soorten monsters zelfs beschadigen.

In een poging om wat meer waarheid uit de wereld van nanomaterialen en nanostructuren te halen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de eerste microscoop met lage-energiefocusseerde ionenstraal (FIB) gebouwd die een lithiumionbron gebruikt.

De nieuwe aanpak van het team opent de mogelijkheid om een ​​hele categorie FIB's te creëren met gebruikmaking van maximaal 20 verschillende elementen, de mogelijkheden voor beeldvorming aanzienlijk vergroten, beeldhouwen, of kenmerkende materialen.

Hoewel de resolutie van de nieuwe microscoop nog niet zo goed is als die van een SEM of een heliumionenmicroscoop (HIM), het kan niet-geleidende materialen in beeld brengen en kan de chemische samenstelling op het oppervlak van een monster duidelijker visualiseren dan de SEM's en FIB's met een hogere energie. En, door de energie te analyseren waarmee de ionen verstrooien, de onderzoekers hebben aangetoond dat de microscoop niet alleen moet kunnen zien dat aangrenzende materialen chemisch verschillend zijn, maar identificeer ook de elementen waaruit ze bestaan.

Jabez McClelland en zijn collega's bij NIST pasten in 2011 Nobelprijswinnende laserkoelingstechnieken toe om de eerste energiezuinige FIB te maken met lithiumionen. Sindsdien hebben ze hebben gewerkt aan het verfijnen van de techniek om de helderheid en collimatie van de straal te vergroten, d.w.z., alle ionen in dezelfde richting te laten bewegen om het bruikbaarder te maken voor beeldvormingstoepassingen.

Het nieuwe instrument koelt eerst een gas van neutrale lithiumatomen tot een temperatuur van ongeveer 600 microkelvin, slechts een paar miljoenste van een graad boven het absolute nulpunt, met behulp van lasers en een magneto-optical trap (MOT) om de atomen vast te houden. Een andere laser ioniseert de atomen en elektrische velden versnellen ze, hun vlucht rechttrekken en de straal op een doel richten.

De NIST FIB kan lithiumionenbundels produceren met energieën in het bereik van 500 elektronvolt tot 5, 000 elektronvolt (vergeleken met ongeveer 30, 000 elektronvolt voor HIM's.) Het NIST-team kan de energie van de straal nog verder verminderen, maar afstotende interactie-effecten bij de bron beperken hoe klein ze de bundel kunnen focussen wanneer het versnellende veld zwakker is.

Zoals gedetailleerd in hun paper, het team demonstreerde hoe hun microscoop zou kunnen helpen bij het oplossen van een veelvoorkomend probleem in nano-imprintlithografie, een proces voor het sjabloneren van patronen op siliciumchips. Deze techniek vereist etsen in het silicium via de ruimtes in het lithografiesjabloon om het patroon over te brengen.

"Voordat fabrikanten het silicium kunnen etsen, ze moeten ervoor zorgen dat de ruimtes vrij zijn van chemische resten, "zegt McClelland. "Gewoonlijk, ze gebruiken een proces dat plasma-etsen wordt genoemd om dat residu te verwijderen, maar ze moeten oppassen dat ze het niet overdrijven, anders kunnen ze het substraat beschadigen en de chip verpesten. Onze FIB-scope zou kunnen controleren of het plasma zijn werk heeft gedaan zonder de chip te beschadigen. Een scanning elektronenmicroscoop kan dit niet doen omdat het moeilijk is om het dunne residu te zien, en de hoge-energiestraal zal waarschijnlijk het sjabloon opladen en/of smelten en het probleem verergeren."

De groep heeft grootse plannen met de microscoop. Een toekomstig project dat ze van plan zijn te doen, is proberen te ontrafelen hoe lithiumbatterijen precies werken door lithiumionen in de materialen te injecteren en te kijken hoe ze het gedrag van de batterijen beïnvloeden. Deze en andere toepassingen zullen bijdragen aan de mogelijkheden van NIST's gebruikersfaciliteit voor nanotechnologie, het Centrum voor Wetenschap en Technologie op nanoschaal, waar het werk wordt uitgevoerd.

Enkele voormalige leden van de groep zijn hun eigen bedrijf begonnen om een ​​energiezuinige cesium FIB te ontwikkelen voor het frezen en beeldhouwen van functies in de orde van enkele nanometers, een enorme sprong in nanofabricage indien succesvol.

"Deze nieuwe vorm van microscopie die we hebben ontwikkeld, belooft een nieuw hulpmiddel voor nanotechnologie te bieden met een goede oppervlaktegevoeligheid, elementair contrast en hoge resolutie, ", zegt McClelland. "De toepassingen variëren van procescontrole voor nanofabricage tot de ontwikkeling van nanomaterialen en beeldvorming van biomaterialen."