新型聚焦离子束显微镜的研发

2016-04-06新闻资讯

在光学显微镜发明之后,人类科学有了巨大的飞跃式的进步,但是光学显微镜由于其光的特性,导致真实放大倍率不能更提高,于是科学家发明了电子显微镜。
电子显微镜(英语:electron microscope,简称:电镜)是利用电子与物质作用所产生之讯号来监定微区域晶体结构,微细组织,化学成份,化学键结和电子分布情况的电子光学装置。常用的有透射电子显微镜和扫描电子显微镜。与光学显微镜相比电子显微镜用电子束代替了可见光,用电磁透镜代替了光学透镜并使用荧光屏将肉眼不可见电子束成像。
由于仪器本身的限制,显微镜偶尔也会“骗人”。比如,电镜就无法很好的观察不能导电的材料,并且它的高能量还会损伤一些样品。为了努力从纳米材料和纳米结构的世界中获取更多的真相,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的研究人员建立了一套采用锂离子源的低能聚焦离子束显微镜。
尽管新型显微镜的分辨率不如扫描电镜或氦离子显微镜(HIM),但它可以更清楚的观察非导电材料,并能更清楚的观察样品表面的化学成分。通过观察散射离子的能量,研究人不仅能够分辨出相邻材料的化学成分是不同的,并且能够确认不同材料的元素种类。
早在2011年,Jabez McClelland和他的同事采用激光冷却技术研制出了第一台低能聚焦离子束显微镜。之后,他们一直努力改进技术以调高离子束的亮度和准直度,确保所有离子都能朝相同的方向运动以便的得到更好的成像结果。

美科学家研发出新型聚焦离子束显微镜,填补传统电镜缺点


新仪器通过激光束和磁光阱捕获原子,将中性锂原子气体冷却至600微开尔文。然后采用激光将原子离子化,并进入电场加速,调整飞行方向,针对目标物将离子聚焦成离子束。
NIST FIB可以生成能量为500eV至5000eV的锂离子束(氦离子束的能量约为3000eV)。研究人员称可以将离子束的能量降至更低。但是当加速电场强度比较低时,离子源的交互影响限制了聚焦离子束的大小。
在他们的论文中,研究人员展示了这台显微镜如何解决纳米压印光刻技术中的一些常见问题。McClelland说:“以前生产商进行硅刻蚀,必须确保空间没有化学残留。通常他们利用等离子体刻蚀的方法清除残留物。但是他们得很仔细,以防过度清除损坏基底或芯片。我们的聚焦离子束显微镜可以很好的观察等离子体的工作情况,确保不损坏芯片。扫描电镜无法做到这些,因为它很难观察到很少的残留物,而且高能电子束很可能造成充电或将模板熔化等,将情况弄得更糟糕。”
该研究团队未来的一个计划是通过将锂离子注入材料当中,看他们是如何影响电池性能,从而解开锂电池的工作原理。研究团队中的一些成员还成立了自己的公司,研发低能铯聚焦离子束,以实现单一纳米量级的铣削和雕刻功能,如果成功将是纳米材料制备的巨大飞跃。
目前这套设备仪器还在研发当中,并未实现投产。许多国内外大型光学仪器厂,诸如奥林巴斯显微镜、尼康显微镜、蔡司显微镜、徕卡显微镜等都开始着手研究此类新型技术。我国的显微镜品牌在此类技术上略有落后,还没有实力开始研发此类显微镜。不过,参与技术合作方式是国产显微镜的一条道路,比如麦克奥迪motic显微镜就和德国的蔡司显微镜有技术合作,这样就站在巨人的肩膀上,让国产品牌少走了一些弯路。另外的国产品牌诸如重光显微镜、澳浦显微镜等,都在国外资本注资以后引进了不少国外先进的技术,我们希望看到更多国产显微镜有更先进的精密光学技术研究出现。
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