EN
08.12.2021

Хирург среди микроскопов – сканирующий электронный микроскоп с ионной пушкой

В чём особенность микроскопа?

Как и у других сканирующих электронных микроскопов (далее — СЭМ) в этом микроскопе сфокусированный пучок электронов шаг за шагом сканирует поверхность образца. Такой принцип позволяет изучать объекты с разрешением нескольких нанометров. Глазастый прибор не только видит образец. Как в операционной, с его помощью можно смотреть на объект и, одновременно, проводить с ним различные манипуляции — отрезать части или перемещать их, а также производить различные аналитические измерения. Это обеспечивается наличием двух лучей: электронного и ионного, вдобавок есть специальный наноманипулятор – такая комбинация и делает этот сканирующий микроскоп уникальным, который попадет уже в класс к фокусированно ионно пучоковым микроскопам (ФИП).


Физические принципы работы

При взаимодействии электронов с образцом генерируются ответные сигналы: электроны различных энергий, характеристическое и тормозное рентгеновское излучение, катодолюминесцентный сигнал. Каждый из сигналов передает специфическую информацию об образце - например, о рельефе его поверхности, химическом составе, типе кристаллической структуры и ориентировке кристаллических плоскостей отдельных зёрен. Чем более узкий пучок, тем лучше разрешение, определяющееся типом катода и особенностями конструкции электронной колонны конкретного СЭМ.

Роль скальпеля выполняет ионная пушка микроскопа, она установлена сбоку и под углом к электронной пушке. Воздействие на образец пучка тяжёлых ионов (галлия или ксенона) гораздо более разрушительно по сравнению с пучком из лёгких электронов. Пучок ионов попадает на поверхность образца и материал образца буквально разлетается во все стороны, а затем уходит в откачанную камеру. Происходит это на микро- и наноуровне, так как диаметр пучка составляет несколько нанометров. Вообще говоря, с помощью ионного пучка возможно и сканирование образца (ответные сигналы при этом аналогичны случаю электронного пучка, но добавляются ещё и специализированные детекторы для ионов), однако их использование для получения изображений,  второстепенно. Наибольшую востребованность ионный пучок находит в пробоподготовке, где позволяет вырезать тонкую ламель (как кусочек торта) объемного образца для дальнейшего анализа на просвечивающем микроскопе.


Открытая камера СЭМ с 5-ти осевым прецизионным столиком на один образец

Наноманипулятор – очень маленькая иголка

Наноманипулятор (Auto Probe 300) позволяет перемещать фрагменты исследуемого образца. Он представляет собой тонкую иглу (порядка 100 мкм шириной), которой можно выполнять манипуляции одновременно с работой электронной и ионной пушек в одной камере и наблюдать за этим в режиме реального времени. Чаще всего иглу готовят из вольфрама с помощью электрохимического травления. Наличие ионного пучка позволяет дополнительно «заточить» иглу до нескольких десятков нанометров и использовать её для более тонких работ.


Набор вольфрамовых игл для наноманипулятора

 

Так, например, если имеется какой-то достаточно массивный образец (свыше микрона толщиной) и интересно посмотреть его внутреннюю структуру (например, с помощью просвечивающего электронного микроскопа), то с помощью ионного пучка можно сделать тонкий срез и затем переместить его с помощью наноманипулятора на специализированную сетку. Для этого фрагмент образца приваривается к игле с помощью платины (специальная система подачи платины в виде маленького диффузора диаметром 300 или 500 микрон позволяет это сделать). Всю процедуру нужно выполнять очень аккуратно, чтобы не переплавить образец. Кроме этого, в случаях, когда разрез прошёл не совсем удачно, с помощью наноманипулятора можно исправить ситуацию, отодвинув один слой материала от другого.


Впечатляющие дополнения по рабочей среде в камере

В дополнение к уникальной комбинации оборудования в составе микроскопа существует три режима его работы: высокий вакуум (чаще всего используется для проводящих материалов), низкий вакуум (используется для биологических или непроводящих образцов,) и также режим естественной среды (когда в камеру впрыскиваются пары воды, что тоже может быть использовано для исследований в биологии и медицине).

Примечание: чаще всего для работы с непроводящими образцами используется функция нейтрализации заряда или используется тонкое (порядка 10 нм) проводящие напыление.

Информацию о поверхностном слое образца (толщиной порядка 10 нм) в основном несут вторичные электроны, для которых есть специальный детектор. Кроме этого, есть детектор, отвечающий за отражение более высокоэнергетических электронов, и детектор, который работает с отраженными электронами только в газовой системе (то есть при низком вакууме или в естественной среде), когда использование других детекторов проблематично.

С помощью ионной пушки можно добраться до глубоких слоёв образца. Это очень полезно, когда необходимо посмотреть структуру многослойного образца. Для этого препарированный с помощью ионного луча образец необходимо сориентировать с помощью столика нужной стороной к пучку электронов. На случай, если вдруг разрез ионный пучком прошел неровно, есть возможность предварительно отшлифовать выбранный участок. А ещё система газовой инжекции OmniGIS позволяет впрыскивать в рабочую камеру смесь, с помощью которой мы можем напылять либо диэлектрики, либо проводники. Каждый картридж в этой системе отвечает за один из материалов, что встречается достаточно редко.


Препаральная камера СЭМ, в которой можно магнетронно напылять проводящие покрытия

Уникальным режимом работы микроскопа является сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (англ. аббревиатура STEM). В этом случае электроны высоких энергий (порядка 30 кэВ) способны пробиваться через очень тонкий срез образца. Например, по заказу медиков исследовался образец печени лабораторной мыши толщиной примерно 30 нм именно этим способом, то есть на просвет.

 

Подготовка образцов к измерениям

Возможна работа только с образцами, которые выдерживают вакуумирование: твердыми, желательно не содержащими влагу, в исключительных случаях — замороженными при криогенных температурах или с нанесением специального покрытия NanoSuite, а также созданием тонких проводящих слоев. В вакуумной камере образец устанавливается на специальный многоразовый столик из нержавеющей стали и приклеивается на специальный скотч из проводящего материала, например, углерода или меди. Лучше всего, если сами образцы тоже проводящие, тогда на них можно получить практически паспортное разрешение.

Тем не менее, со стёклами и прочими диэлектриками работать возможно, но сложнее. Для этого, например, необходимо дополнительно магнетронно напылить проводящий слой, чаще всего используются металлы. Это касается и биологических образцов, которые тоже можно смотреть на этом микроскопе, но необходимо не забывать, что биологические образцы могут высыхать и терять свою форму в процессе откачки микроскопа или в процессе напыления проводящих покрытий. Именно в этом случае дополнительно задействуется система криоохлаждения, с помощью которой сначала охлаждается до температуры 181 ֯С, сама камера, а потом и образец, после чего замороженный образец вносится через препаральную камеру в откачанную камеру микроскопа для дальнейшего анализа.


Аккуратно, не повредите колонну!

На установке работают в основном сотрудники, так как оборудование очень дорогое, а покупка такого прибора определяется задачами, которые, например, нельзя решить с помощью оптического микроскопа.

С этой уникальной установкой необходимо работать крайне аккуратно, так как буквально в одно действие можно что-то сломать. Например, рядом со столиком для образца располагается электронная и ионная колонны, а также широкий спектр детекторов. Для установки начального положения столика есть специальная процедура, когда он определяет своё положение в пространстве. Если сам столик поставить неправильно или использовать слишком большой образец, то в результате движения столика можно потерять или испортить образец, , но и вывести из строя большую часть навесного оборудования, которое установлено внутри камеры — а это порядка половины стоимости всего прибора. В случае ферромагнитного образца он может также налипнуть на линзу электроной колонны, и для того, чтобы исправить это, придется заменять диафрагмы, наконечник, разбирая полностью всю электронную колонну.

 

Возможности для тестирования

Сам по себе СЭМ достаточно распространенный прибор. Однако такой набор различных детекторов и режимов работы, как в этом микроскопе, делает его одним из немногих уникальных приборов подобного рода. У него есть детекторы для различных целей.

Несмотря на то, что этот микроскоп работает по отлаженным протоколам, с его помощью возможно тестирование новых детекторов. В этом контексте основным направлением является исследование современных детекторов для 3D томографии (работа с группой профессора Э.И. Рау). В данном контексте изучается распределение электронов по глубине и делается это именно с помощью данного микроскопа, так как на нём установлен более современный катод, хотя возможно использование и других электронных микроскопов физического факультета, в том числе, на кафедре физической электроники. Принцип такой томографии заключается в детектировании электронов под различными углами, так как угол выхода электрона зависит от глубины исследуемого слоя образца и его материала. Поэтому в данном исследовании детекторы были расположены под разными углами, что позволило получить объемное изображение образца.



 Оператор устанавливает образец на столик СЭМ


Сотрудничество и расходные материалы

Работа происходит в основном в рамках задач физического факультета и в сотрудничестве с химическим факультетом МГУ. Важно отметить, что у всех кафедр физического факультета есть возможность подать заявку на проведение исследовательских работ на этом приборе. Среди тех кафедр, которые уже регулярно используют микроскоп, можно отметить кафедры: физики твёрдого тела, полупроводников и криоэлектроники, молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества,физической электроники, квантовой электроники, физики полимеров и кристаллов. Иногда микроскоп используют в рамках своих задач кафедра медицинской физики. Поэтому в целом микроскоп загружен каждый день, причём очередей как таковых нет. Есть специальный гугл-календарь с расписанием. Между экспериментами берется пауза для обсуждения результатов чтобы решить: продолжить работу или отложить её для корректировки.

Прибор уникальный и современный, поэтому и задачи для него должны быть соответствующего уровня. Работа микроскопа сопровождается потреблением большого количество расходных материалов. Например, электронный катоды заканчиваются каждый год, галлиевый катодзаканчивается раз в 1-2 года, часто выходят из строя вакуумные насосы, примерно каждый месяц необходимо менять баллоны с газом, баллоны для криоохлаждения заканчиваются еще быстрее, буквально за полдня. К этому стоит добавить, что многие из расходных материалов закупаются за границей, а это сопряжено с некоторыми трудностями.

 

Студенты и микроскоп

Важно отметить, что прибор используется не только для решения научных задач, но и в образовательных целях. Среди них можно отметить знакомство студентов с возможностями такого микроскопа, а также с физическими принципами, на основе которых он работает и обучение работы на нём (есть и семинарские, и практические занятия). Примером является совместная работа с такими кафедрами: физики твердого тела, физической электроники, молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества. Для студентов с этих кафедр проводятся ознакомительные занятия, на которых изучаются принципы работы СЭМ.



Общий вид помещения в котором установлен СЭМ

Кроме этого, на кафедре молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества готовится новый спецкурс, посвященный основам СЭМ в применении к нанообъектам, где будут затронуты вопросы устройства и работы двулучевого электронного микроскопа. Студенты самостоятельно на микроскопе не работают без присутствия сотрудников, но в аспирантуре у них может появиться такая возможность. Как и сотрудники, аспиранты тоже периодически работают на микроскопе, если это их специализация. Для этого необходимо посещать специализированные курсы и иметь соответствующего научного руководителя.


Медиацентр факультета