Le microscope à faisceau d'ions lithium focalisé du NIST piège et refroidit un gaz d'atomes de lithium à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu (section MOT). Un autre laser ionise les atomes, puis les champs électriques les accélèrent, redresser leur vol et les concentrer sur une cible. La nouvelle approche de l'équipe ouvre la possibilité de créer toute une catégorie de FIB en utilisant jusqu'à 20 éléments différents. Crédit :NIST
Les microscopes ne mentent pas exactement, mais leurs limites affectent les vérités qu'ils peuvent dire. Par exemple, les microscopes électroniques à balayage (SEM) ne peuvent tout simplement pas voir les matériaux qui ne conduisent pas très bien l'électricité, et leurs hautes énergies peuvent en fait endommager certains types d'échantillons.
Dans un effort pour extraire un peu plus de vérité du monde des nanomatériaux et des nanostructures, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont construit le premier microscope à faisceau d'ions focalisés à basse énergie (FIB) qui utilise une source d'ions lithium.
La nouvelle approche de l'équipe ouvre la possibilité de créer toute une catégorie de FIB en utilisant jusqu'à 20 éléments différents, augmentant considérablement les options d'imagerie, sculpture, ou caractérisant les matériaux.
Bien que la résolution du nouveau microscope ne soit pas encore aussi bonne qu'un microscope SEM ou un microscope à ions hélium (HIM), il peut imager des matériaux non conducteurs et visualiser plus clairement la composition chimique à la surface d'un échantillon que les SEM et les FIB à plus haute énergie. Et, en analysant l'énergie avec laquelle les ions se dispersent, les chercheurs ont montré que le microscope devrait être capable non seulement de voir que les matériaux adjacents sont chimiquement différents, mais aussi identifier les éléments qui les composent.
Jabez McClelland et ses collègues du NIST ont appliqué des techniques de refroidissement laser lauréates du prix Nobel pour fabriquer le premier FIB à basse énergie utilisant des ions lithium en 2011. Depuis lors, ils ont travaillé pour affiner la technique pour augmenter la luminosité et la collimation du faisceau, c'est à dire., faire en sorte que tous les ions se déplacent dans la même direction pour le rendre plus utile pour les applications d'imagerie.
Le nouvel instrument refroidit d'abord un gaz d'atomes de lithium neutres à une température d'environ 600 microkelvins, quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, utilisant des lasers et un piège magnéto-optique (MOT) pour retenir les atomes. Un autre laser ionise les atomes puis les champs électriques les accélèrent, redresser leur vol et focaliser le faisceau sur une cible.
Le NIST FIB peut produire des faisceaux d'ions lithium avec des énergies comprises entre 500 électrons-volts et 5, 000 électrons-volts (contre environ 30, 000 électrons-volts pour les HIM.) L'équipe du NIST peut réduire encore plus l'énergie du faisceau, mais les effets d'interaction répulsive à la source limitent leur faible focalisation du faisceau lorsque le champ d'accélération est plus faible.
Comme détaillé dans leur article, l'équipe a démontré comment leur microscope pouvait aider à résoudre un problème courant en lithographie par nanoimpression, un procédé de pochoir de motifs sur des puces de silicium. Cette technique nécessite une gravure dans le silicium à travers les espaces du pochoir de lithographie pour transférer le motif.
"Avant que les fabricants puissent graver le silicium, ils doivent s'assurer que les espaces sont exempts de résidus chimiques, " dit McClelland. " Généralement, ils utilisent un processus appelé gravure au plasma pour nettoyer ce résidu, mais ils doivent faire attention à ne pas en faire trop ou ils peuvent endommager le substrat et ruiner la puce. Notre oscilloscope FIB pourrait vérifier si le plasma a fait son travail sans endommager la puce. Un microscope électronique à balayage ne pourrait pas le faire car il est difficile de voir le mince résidu, et le faisceau à haute énergie est susceptible de charger et/ou de faire fondre le pochoir et d'aggraver le problème."
Des micrographies d'un point de soudure électronique montrent comment le microscope FIB au lithium (à gauche) distingue clairement les composants en plomb et en étain. Une image SEM (à droite) capture principalement les différences topologiques. Les images montrent une région d'environ 28 micromètres de diamètre. Crédit :Twedt/CNST
Le groupe a de grands projets pour le microscope. Un projet futur qu'ils envisagent de faire est d'essayer de comprendre exactement comment fonctionnent les batteries au lithium en injectant des ions lithium dans les matériaux et en observant comment ils affectent le comportement des batteries. Cette application et d'autres ajouteront aux capacités de l'installation utilisateur de nanotechnologie du NIST, le Centre pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique, où s'effectuent les travaux.
Quelques anciens membres du groupe ont créé leur propre entreprise pour développer un FIB au césium à basse énergie pour le fraisage et la sculpture de caractéristiques de l'ordre du nanomètre unique, un énorme pas en avant dans la nanofabrication en cas de succès.
"Cette nouvelle forme de microscopie que nous avons développée promet de fournir un nouvel outil pour les nanotechnologies avec une bonne sensibilité de surface, contraste élémentaire et haute résolution, " dit McClelland. " Les applications vont du contrôle du processus de nanofabrication au développement de nanomatériaux et à l'imagerie des biomatériaux. "
