Caratterizzazioni Strutturali e di Superficie
Referente: Rossi Francesca
Microscopia elettronica in scansione + Focused Ion Beam
   PER MAGGIORI INFO SU QUESTA TECNICA: Giovanna Trevisi (giovanna.trevisi@imem.cnr.it, tel 0521-269236)

 

Setup

FESEM-FIB at IMEM-CNR

FESEM/FIB ZEISS Auriga Compact

Caratteristiche e Prestazioni:

  • SEM: colonna Gemini con sorgente a emissione di campo tipo Schottky.
  • FIB: colonna Canion con sorgente a ioni di Gallio.
  • Rivelatori: InLens ed Everhart-Thornley per e- secondari, BSD per e- backscatterati, Oxford EDX (risoluzione 138 eV) per analisi composizionale.
  • Sistema a singolo iniettore di gas e reservoir con precursore di Pt.
  • Micromanipolatore Kleindiek in camera.
Tabella prestazioni FESEM-FIB

Metodologia

Microscopia SEM: si basa sull'analisi dei prodotti di interazione tra il fascio elettronico primario e la superficie del campione su cui viene focalizzato. Modulando corrente e tensione di accelerazione del fascio elettronico e utilizzando i rivelatori a disposizione è possibile ottenere diverse informazioni: dalla morfologia (SE, InLens) alla composizione chimica (BSD, EDX). Lo strumento consente di effettuare analisi in alta risoluzione per lo studio di materiali nanostrutturati. E' inoltre possibile lavorare con bassi voltaggi di accelerazione (inferiori a 1 kV) per studiare campioni poco conduttivi.

Microscopia SEM-FIB (modalità cross-beam): in questa modalità il campione viene posizionato nel punto di coincidenza tra fascio elettronico e fascio ionico, consentendo di visualizzare tramite imaging SEM l'area su cui incide il fascio ionico. Ciò permette di individuare con precisione la posizione su cui effettuare la micro-lavorazione con il fascio ionico e di visualizzarne in tempo reale l'evoluzione. Alcuni esempi di micro-lavorazioni FIB sono i seguenti:

Incisione del materiale per analisi della sezione trasversa. Questa procedura consente di valutare la morfologia e lo spessore di strati sepolti, di analizzare le interfacce tra strati di diversa natura e di rivelare la morfologia interna di oggetti di dimensioni micrometriche. In questo modo, ad esempio, è possibile analizzare morfologia e modalità di adesione al substrato di cellule provenienti da colture in-vitro, dopo opportuno protocollo di fissazione, disidratazione e doratura.

FIB-cut cross section of a GaAs/AlAs heterostructure
FIB-cut cross section of a cell on Ti substrate

Realizzazione di lamelle per analisi TEM. Questa procedura consente di preparare campioni di elevata qualità adatti all’analisi TEM ed è costituita dai seguenti passaggi: estrazione di una sezione di materiale, trasferimento su griglia TEM, assottigliamento fino alla trasparenza elettronica e pulizia finale delle interfacce. Questo procedimento complesso si rende necessario quando l’analisi TEM deve essere condotta su una zona predeterminata del campione ma anche quando i campioni da analizzare non possono essere trattati mediante tecniche di preparativa convenzionale.

initial step of preparation of a TEM lamella
FIB lift-out procedure of a TEM lamella
TEM lamella attached on a grid

Incisione di pattern predeterminati su aree definite. Questa metodologia si basa sull’elevata precisione di incisione che si può ottenere con il fascio ionico ed è assimilabile a una litografia su scala micrometrica condotta senza necessità di resist e di maschere. E’ quindi possibile trasferire pattern di interesse sulle superfici dei campioni ma anche modificare in modo controllato strutture preesistenti, come circuiti microelettronici, maschere per litografia o array di microstrutture.

FIB milling of the central pillar
partial FIB milling of a single pillar

Deposizione di metalli: tramite il sistema a singolo iniettore di gas è possibile flussare sulla superficie del campione un precursore contenente Pt. Il gas colpito dal fascio elettronico o dal fascio ionico viene scomposto dando origine a una deposizione contenente Pt nell'area in cui è avvenuta l'interazione. Solitamente i depositi di Pt ottenuti in questo modo vengono impiegati per proteggere la superficie dei campioni prima di effettuare un'incisione, procedura necessaria, ad esempio, per realizzare lamelle TEM. Inoltre è da notare che, grazie a questa stessa metodologia, è possibile scegliere opportunamente i parametri del fascio ionico in modo che i depositi di Pt ottenuti possano svolgere la funzione di contatti elettrici su scala sub-micrometrica.

single Ge nanowire
FIB deposited Pt contacts on single Ge nanowire

Highlights

Tecniche SEM/FIB applicate a colture cellulari

imaging SEM e taglio FIB su cellule

Analisi della morfologia e dei meccanismi di adesione di cellule osteoblastiche MC3T3-E1 coltivate su campioni con struttura a micro pillars. (A, D) Immagini SEM di singole cellule, prima e dopo taglio FIB. (B,C,E) Dettagli delle sezioni. (F) Tipica morfologia dei micro pillars dopo 48 h di coltura. Ref: Nanomaterials 2020