Nano 3D printer + Nano žaga = Tehnika fokusiranega ionskega curka

V zadnjih nekaj letih so 3D printerji postali izjemno priljubljeni, saj je njihova cena končno padla na tak nivo, da so postali dostopni splošni množici. Poleg tega pa je na spletu mnogo brezplačnega programja, s katerimi oblikujemo poljubne 3D objekte. Prvotni namen 3D printerjev je bila izdelava industrijskih prototipov. In ker človeška domišljija nima meja, danes s 3D printerji tiskajo vse mogoče: npr. orodja z vrtljivimi sestavnimi deli (klik), celotne hiše (klik), hrano (klik) ter najpomembnejše celo človeške organe (klik). 3D printer so namestili tudi na Mednarodno vesoljsko postajo (klik), kar jim omogoča da si lahko tako natisnejo rezervni del in jim ni potrebno več čakati cele tri mesece na naslednjo dostavo z raketo.

3D printer

Po drugi strani pa še ni videti kazalca, da bi se v splošni uporabi kaj kmalu znašli stroji z numeričnim krmiljenjem (t.i. CNC stroji). CNC stroji so sicer že dolgo nepogrešljiv pripomoček v najrazličnejših vejah industrije. Podobno kot 3D printerji, tudi ti sledijo računalniškim ukazom in na ta način žagajo, režejo, stružijo ali kako drugače obdelujejo različne (predvsem kovinske) materiale. In podobno kot s 3D printerji, je tudi z njimi mogoče izdelati nešteto različnih stvari.

CNC stroj

Skratka v nasprotju s 3D printerji, ki stvari izdelujejo z dodajanjem materiala, CNC stroji končni izdelek izdelajo z odstranjevanje materiala iz obdelovanca. Ob tem se človek vpraša: “Kaj, ali ne bi bilo lepo, če bi lahko združili lastnost 3D printerjev (dodajanje materiala) in CNC strojev (odstranjevanje materiala) v en sam stroj?” No, verjeli ali ne, nekaj podobnega imamo na CO Nanonocentru. Gre za milijon in pol Evrov vreden vrstični elektronski mikroskop s tehniko fokusiranega ionskega curka (angl. focused ion beam) ali krajše FIB.

Vrstični elektronski mikroskop s tehniko fokusiranega ionskega curka v Centru odličnosti nanoznanosti in nanotehnologije – CO Nanocentru)

Pogled v komoro za vzorec nam razkrije za kako zapleteno napravo gre (levo). Kolona mikroskopa z detektorji, spektrometri, sistemi za vbrizg vplina ter ionsko kolono ob strani (desno)

FIB je v osnovi vrstični elektronski mikroskop (SEM) z elektronsko kolono, s puško na poljsko emisijo. Njegova posebnost pa je da ima poleg elektronske kolone, tudi ionsko kolono. V ionski koloni je nameščena ionska puška, ki ustvarja curek visoko koherentnih ionov, s premerom okoli enega nanometra. Kot izvor ionov, v našem primeru uporabljamo galij. Galij je ena najbolj zanimivih kovin, saj ima tališče pri temperaturi 30 °C, kar je enako kot čokolada. Povedano drugače – tako kot čokolada, ki se stopi pri temperaturi naših ust, se tudi galij stopi, takoj ko ga primemo v roke (klik). Galijeve ione v ionski koloni potem pospešujemo s zaporedjem elektromagnetnih leč. Potem pa jih z drugim zaporedjem leč usmerjamo v vzorec, kjer se zgodi nekaj nepričakovanega. Ker imajo galijevi ioni, okoli 40.000 krat večjo kinetično energijo od elektronov, povzročajo izbijanje atomov iz površine vzorca. Na ta način lahko lokalizirano jedkamo (“žagamo”) vzorec z ločljivostjo v nanometrskem področju.

Jedkanje zlatih nanopalčk s FIB-om nam razkrije njihova notranjo mikrostrukturo

Prerez čez udarno žilo v meteoritu Jesenice. Pojasnilo za kaj gre dobite na tej povezavi

Tako kot CNC stroj, ki žaga obdelovanec, tudi mi s FIB-om lahko žagamo vzorce. Le da smo s to metodo približno tisočkrat bolj natančni. S tehniko FIB je mogoče izdelati stvari velike le nekaj sto atomov. V praksi to pomeni da je mogoče izdelati mikroskopsko majhne mehanske sestavne dele: npr. zobata kolesca, vijake in matice. Samo tehniko FIB pa so v resnici razvili zaradi miniaturizacije mikročipov. Le ti so v osemdesetih letih postali tako majhni, da se jih s takrat obstoječimi tehnikami ni dalo nadzirati defektov. S tehniko FIB, pa je mogoče mikročip prerezati in pogledati v notranjost.

Nd-Fe-B magnet pred jedkanjem

Jedkanje magneta bolje razkrije njegova notranjo strukturo

Enak način sem tudi jaz veliko uporabljal pri raziskavah za moje magistrsko nalogo. Le da seveda nisem rezal mikročipov, ampak majhne strukture v meteoritih. Dejansko gre stvar še korak dlje. S FIB-om je mogoče v zaporedju narediti več prečnih presekov, ki jih potem združimo v računalniški 3D model vzorca. V sam proces lahko vključimo tudi energijsko disperzijsko spektroskopijo rentgenskih žarkov (EDS), s katero dobimo tudi 3D model kemijske sestave vzorca. Nekateri FIB-i so opremljeni tudi s tehniko uklona povratno sipanih elektronov (EBSD), kar nam da 3D sliko kristalografskih orientacij mineralov v vzorcu.

3-D mikrostrukture posebne črne barve s kovinskimi kroglicami, ki vpija toploto. Uporablja se kot premaz v sončnih elektrarnah (Izdelal: Gregor Kapun)

Težava je le v tem da je največji volumen vzorca, ki ga s FIB-om lahko zajamemo: ca. 50 x 50 x 50 mikrometrov, kar je približno kot da bi zarezali kocko v človeški las in bi prišli v globino komaj do polovice debeline lasu. V resnici se točno to da narediti. Še lažje se je na las podpisati, kar je postalo pravi hit med znanstveniki. Sam konkretno tega še nisem poskusil, sem se pa zato podpisal na meteorit. Potrebno je povedati, da je pri tej tehniki nismo omejeni z ničemer. Mogoče je izdelati karkoli, le da je dovolj majhno – nekje maksimalno do premera človeška lasu.

Izdelava najmanjšega periodnega sistema na površini človeškega lasu

Moj podpis s FIB-om

Vendar se tu zgodba o tem kaj vse je mogoče početi s FIB-om šele začne. Kot sem namignil že na začetku, je FIB tudi neke vrste 3D printer na nano nivoju. Kako je to mogoče? V mikroskop, s pomočjo posebnih cevk, dovajamo majhne količine različnih plinov, ki vsebujejo platino ali zlato. Ko plin (npr. C7H17Pt ali C7H7F6O2Au) obstreljujemo z ionskim curkom, le ta razpade. Platina / zlato pa se adsorbirata na površino substrata, točno na tistem mestu, kjer v danem trenutku vrstičimo (skeniramo) z ionskim curkom. Na ta način lahko zelo natančno oblikujemo poljubne 3D strukture, tako kot v 3D printerjih. Le da tu lahko izdelamo stvari, ki so velike (majhne) le nekaj nanometrov. Pred časom je bilo prav tekmovanje med laboratoriji kdo bo izdelal, kaj najmanjšega: tako so nastali najmanjši snežak, najmanjši WC, najmanjša vesoljska ladja Enterpreise ter še mnogo drugega (klik).

Mikromanipulator (levo) in cevka s katero dovajamo plin v mikroskop (desno).

Najmanjši snežak na svetu izdelan s FIB-om

Seveda FIB ni bil izdelan, da z bi z njim delali snežake, ampak ima nepogrešljivo uporabno vrednost. V našem laboratoriju smo tako izdelali miniaturna vezja. Platino in zlato sta kovini z odlično električno prevodnostjo ter tako kot nalašč za električna vezja. Prav tako imamo možnost vpihovanja plina TEOS-a, ki pod ionskim curkom razpade v SiO2. SiO2 je električni izolator. Torej imamo oboje: električne prevodnike in izolatorje iz katerih katerih lahko izdelamo vezja.

Električno vezje iz platine, ki sem ga izdelal s FIB-om.

Snežak (foto: dr. Davic Cox) in Enterpreise (Takayuki Hoshino in Shinji Matsui, 47th International Conference on Electron, Ion and Photon Beam Technology and Nanofabrication Bizarre/Beautiful Micrograph Contest back in 2003). V resnici teh stvari sploh ni težko izdelati. Potreben je samo 3-D model, ki ga lahko izrišimo v katerem koli CAD programu. Izdelati pa je mogoče karkoli in s tem mislim res karkoli.

Skratka sedaj smo zgradila mikroskopsko majhne sestavne dele. Jih lahko skupaj sestavimo? Seveda! Klasična pinceta zagotovo ne bo dovolj natančna, da bi z njo lahko prijeli tako izredno majhne stvari. Zato je v FIB vgrajen poseben mikromanipulator s katerim stvari lahko zagrabimo in prenesemo na drugo mesto. Gre za volframovo iglo, ki je na koncu debela le sto nanometrov. Na iglo element, ki ga želimo dvigniti, privarimo s plastjo platine. Če pa želimo element spustiti, pa ga preprosto odrežemo z ionskim curkom. V resnici je to prenašanje elementov zelo podobno računalniški igrici. Potrebna je le zelo dobra prostorska predstava in pa koncentracija.

Mikromanipulator nad udarno žilo v meteoritu Jesenice. Na desni stani je vidna velika hondrula

Ostra konica mikromanipulatorja. Ko se obrabi, jo “ošilimo” s FIB-om, kot je prikazano v tem primeru.

V praksi ima FIB največjo korist za izdelavo zelo tankih vzorcev za presevno elektronsko mikroskopijo. Namreč če želimo doseči atomsko ločljivost v presevnem elektronskem mikroskopu, potrebujemo vzorce, ki so čim bolj tanki. Idealno bi bilo, da bi bili debeli le eno atomsko plast. Vendar se da dobiti sliko, že če so vzorci debeli do ca. 100 atomskih plasti. Tehnika fokusiranega ionskega curka je trenutno edina tehnika, ki omogoča izdelavo takih vzorcev iz točno določenega področja na vzorcu. Gre za zelo zapleten postopek, ki vključuje uporabo vseh omenjenih tehnik fokusiranega ionskega curka. Da ni nič ni tako preprosto kot se morda sliši, vam lahko povem, da sem potreboval kar tri mesece intenzivnega dela na FIB-u, da sem dobil prvi vzorec, ki je bil dovolj dober za preiskave s tehnikami presevne elektronske mikroskopije. Šele s tem, sem pravzaprav lahko začel z delom na svoji magistrski nalogi.

Mikromanipulacija med pripravo vzorca za presevno elektronsko mikroskopijo

FIB je v osnovi zelo močan mikroskop, ki ga lahko uporabljam tudi za klasično fotografiranje vzorcev – v tem primeru heksagonalnih kristalov cinkovega oksida

Skratka lahko povzamemo da je tehnika fokusiranega ionskega curka ena tistih tehnik, ki je od stopnje znanstvene fantastike, do popolne nepogrešljivosti, prešla v zgolj nekaj letih. Vendar tehnologija gre hitro naprej tudi na tem področju in v prihodnosti je mogoče pričakovati, da bo s FIB-om mogoče preiskovati tudi večje vzorce. Ena takih tehnik, ki se zelo hitro uveljavlja, je vrstična helijeva ionska mikroskopija, s katero lahko jedkamo približno 10-krat večja območja kot s FIB.