Feixes de Íons Focalizados

Fonte: Sina Shahbazmohamadi e Peiman Shahbeigi-Roodposhti-Roodposhti, Escola de Engenharia, Universidade de Connecticut, Storrs, CT

À medida que os microscópios eletrônicos se tornam mais complexos e amplamente utilizados em laboratórios de pesquisa, torna-se mais uma necessidade de introduzir suas capacidades. O feixe de íons focado (FIB) é um instrumento que pode ser empregado para fabricar, aparar, analisar e caracterizar materiais em mico-e nanoescamas em uma ampla variedade de campos, da nanoeletrônica à medicina. Os sistemas FIB podem ser considerados como um feixe de íons que podem ser usados para moer (sputter), depósito e materiais de imagem em micro e nanoescamas. As colunas de íons dos FIBs são comumente integradas com as colunas eletrônicas dos microscópios eletrônicos de varredura (SEMs).

O objetivo deste experimento é introduzir o estado da arte em tecnologias de feixe de íons focalizando e mostrar como esses instrumentos podem ser usados para fabricar estruturas tão pequenas quanto as menores membranas encontradas no corpo humano.

Os sistemas FIB usam um feixe de íons para moer, depositar e imagens de micro e nanoescamas. O feixe é formado em um ambiente de alto vácuo onde potenciais elétricos seletivos são usados para ionizar e extrair gálio de uma fonte de íons de metal líquido (LMIS). Este feixe pode ser direcionado e focado com lentes eletromagnéticas semelhantes à luz em um microscópio tradicional e óptico. O feixe então rasters para cobrir uma área na amostra. Com um tipo diferente de fonte, um feixe de elétrons pode ser usado para imagens e caracterizações não destrutivas sem sputtering a superfície da amostra, assim como a microscopia eletrônica de varredura (SEM). A combinação de SEM e FIB abre caminho para moagens e caracterizações de feixes de íons muito inovadores. Além disso, informações tridimensionais podem ser obtidas combinando as operações de elétrons e feixes de íons para realizar uma tomografia (ou seja, moer uma fatia com feixe de íons, imagem com feixe de elétrons e repetir). Geralmente, as amostras condutoras são ideais para FIB e SEM porque não coletam carga e, assim, afetam o caminho para imagem, fresagem e deposição. No entanto, amostras não condutoras como a maioria dos polímeros e amostras biológicas podem ser sondadas com o uso de correção de carga, revestimento condutor, ajustes de pressão variável e configurações de feixe de baixa energia. Ter uma compreensão do básico das interações sólidas do feixe de íons pode melhorar a capacidade de alcançar resultados ideais usando um sistema FIB. A mecânica das interações sólidas do feixe de íons consiste nos seguintes eventos: íons primários do feixe focal bombardeiam a superfície, material sputter, ejetam elétrons secundários e se implantam.

A fresagem ocorre devido ao sputtering físico do alvo. Para entender o processo de sputtering, as interações entre o feixe de íons e o alvo devem ser exploradas. Sputtering ocorre como consequência de uma série de colisões elásticas nas quais o impulso é transferido dos íons incidentes para os átomos-alvo dentro de uma região que é chamada de região em cascata. Este processo é semelhante ao que acontece quando uma bola de sinalização atinge as bolas do objeto quando o tiro de ruptura é tomado. Um átomo na superfície do alvo pode ser sputtered se receber uma energia cinética que excede sua energia de ligação superficial (SBE). A energia de ligação superficial é a energia necessária para remover um átomo de superfície de sua rede a granel. Uma parte desses átomos ejetados pode ser ionizada. Por causa do bombardeio de íons, interações inelásticas também podem acontecer. Essas interações produzem fônons, plasmons em metais e elétrons secundários (SE). Uma FIB padrão emprega elétrons secundários para produzir uma imagem. A deposição também pode ser realizada implantando pequenas quantidades de moléculas de gás precursores na superfície do material e usando os íons de impacto para facilitar uma reação química onde o material é depositado na superfície. Porém, para este estudo, a fresagem e a imagem são os únicos mecanismos cobertos.

1. Fabricação de um filtro perfurado de uma membrana de óxido de silício de 300nm de espessura comparável em escala ao citoplasma endotelial dos rins

1. Coloque a membrana preparada na câmara FIB. As membranas são frequentemente preparadas por profissionais (ao criar pontes de Wheatstone) e podem ser adquiridas em locais de fabricação de semicondutores. Para preparar um você mesmo, a fotolitografia deve ser usada. Os detalhes desse processo podem ser vistos no vídeo fotolitografia da "Coleção bioengenharia" no site da JoVE. NOTA: Certifique-se de usar luvas de nitrito ao manusear a amostra ou ao entrar em contato com quaisquer componentes internos do FIB/SEM. O ambiente deve ser mantido muito limpo e livre de quaisquer óleos de pele.
2. Ligue o feixe de íons focalado e a arma eletrônica e ajuste a amostra para alcançar o ponto coincidente-eucêntrico. Este é o ponto onde a área de interesse (a membrana) está na linha de elétrons e íons para ângulos de inclinação que variam de 0 a 54 graus.

3. Ajuste a corrente do feixe de íons e acelera a tensão do FIB para 30kV e 100pA e foque em uma área próxima à área a ser fresada. Desenhe uma matriz de círculos através do programa de fresagem FIB de um diâmetro em torno de 50nm com uma distância central para central de 150nm (ver Figura 1).
4. Mude para feixe de elétrons e imagem da área em uma tensão acelerada de 5kV.

Figura 1: Fib arifado buracos na membrana de óxido de silício criando filtro de partículas.

2. Moagem de um logotipo em um cabelo

1. Coloque um fio de cabelo em um meioscópio usando fita de carbono
2. Ouro/Carbono cubra o fio do cabelo usando um revestimento sputter. Esta ferramenta reveste a amostra em alguns nanômetros de um material condutor para que possa ser imagedo/sputtered com artefatos de carregamento mínimos.
3. Ligue o feixe de íons focalado e a arma eletrônica e ajuste para o ponto coincidente-eucêntrico.
4. Ajuste a corrente do feixe de íons e acelere a tensão para 30kV com uma abertura de 100pA, respectivamente, e foque em uma área de cerca de 15um x 15um perto da área a ser fresada.
5. Carregue o padrão/logotipo a ser fresado como um bitmap e ajuste a corrente do feixe e acelerando a tensão e inicie a fresagem.
6. Mude para feixe de elétrons e imagem da área. Isso é mostrado na Figura 2.

Figura 2: "Feliz Natal" moído em uma teia de aranha com FIB.

Este experimento demonstrou como o uso de microscópios eletrônicos e feixes de íons focados permitem aos pesquisadores manipular e fabricar estruturas de microescala. A natureza molecular da interação focalizado do feixe de íons fornece à FIB uma habilidade única de manipular materiais nas micro e nanoescamas. Ao considerar cuidadosamente como o feixe interage com o material, mitigando artefatos de carregamento e definindo o sistema para uma ótima qualidade de moagem, um pesquisador pode produzir padrões únicos em materiais biológicos e não biológicos que podem, no caso da membrana óxido de silício, realizar como sua contrapartida anatômica. Os FIBs mostram muito potencial nesta área de pesquisa, mas as técnicas e os materiais utilizados devem melhorar muito mais para encontrar seu caminho para os organismos vivos. Esses instrumentos e técnicas, ao lado de técnicas de engenharia de tecidos, podem revolucionar a forma como abordamos o tratamento dos órgãos em um futuro próximo.

Este experimento se concentrou em dar uma introdução a sistemas focados de feixe de íons (FIB) e demonstrar o que eles podem fazer. Suas aplicações são vastas. Os exercícios aqui destacaram algumas aplicações na biologia, que podem variar desde a secção transversal de tamanho míccro até o exame de osso e tecido até a reconstrução tridimensional de pequenas partes de um órgão. É importante notar que a FIB não é apenas uma ferramenta para a engenharia de tecidos. Tem muita história com microeletrônica, estudos geológicos, fabricação aditiva, revestimentos de pulverização, preparação de amostras de elétrons de transmissão (TEM) e caracterização geral do material. Exemplos dentro desses tópicos são difundidos e podem ser encontrados em qualquer literatura relacionada à FIB.