Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid universitetet i Antwerpen (Belgien) genomförde framgångsrikt in situ-studier med ett plasma som genererats inuti ett svepelektronmikroskop (SEM). Detta markerar första gången live SEM-avbildning uppnåddes när provet behandlades med plasma. Studien är publicerad i tidskriften Advanced Materials Technologies .
Plasma, ofta beskrivna som joniserade gaser eller det fjärde tillståndet av materia, har ett brett spektrum av tillämpningar. Till exempel, inom halvledarindustrin, fyller de en avgörande roll i den litografiska process som används för att tillverka datorchips.
De får också ett stort intresse för grön kemiapplikationer, som CO2 och CH4 omvandling till förädlade kemikalier eller förnybara bränslen, N2 fixering för produktion av gröngödsel, såväl som för biomedicinska tillämpningar, såsom cancerbehandling, sårläkning eller desinfektion. Dessutom är plasma också föremål för omfattande forskning för att få mer grundläggande insikter.
Många av de relevanta processerna för plasmatillämpningar sker på mikroskopisk nivå och deras observation kräver ofta högupplösta bilder utöver ett konventionellt ljusmikroskops kapacitet. Därför användes ett svepelektronmikroskop (SEM) i denna forskning.
Ett sådant mikroskop använder en fokuserad stråle av högenergiska elektroner, som skannas över ytan av materialet av intresse. Genom att samla in olika signaler som produceras av elektronstrålen och kompilera dem pixel för pixel kan mycket förstorade bilder av provet genereras, ner till nanometerregimen.
För att genomföra dessa in-situ plasmastudier i en SEM behövde flera utmaningar åtgärdas. För det första drivs elektronmikroskop vanligtvis under högvakuumförhållanden för att minimera elektroninteraktioner med gasmolekyler.
För att skapa det erforderliga gasmolnet för en plasma infördes ett tunt rör med ett mikrometerstort hål i änden till mikroskopkammaren för att tillåta ett kontrollerat gasflöde mot provet. Det begränsade gasflödet var tillräckligt för lokal plasmadrift samtidigt som ett lågt tryck bibehölls i resten av mikroskopet för avbildning.
För det andra kräver att skapa och upprätthålla ett plasma ett starkt elektriskt fält som kan påverka de elektroner som behövs för den mikroskopiska avbildningen. Genom att optimera installationens hårdvara och parametrar, minimerade teamet avböjningen av elektronstrålen och säkerställde en stabil plasmaurladdning, vilket möjliggör levande avbildning under plasmadrift. På så sätt kunde en realtidsvy av behandlingen av en kopparfilm fångas, som visas i videon ovan/nedan.
Denna betydande prestation var endast möjlig tack vare det tvärvetenskapliga teamet av forskare som kunde arbeta med detta projekt. Personer med bakgrund inom elektronik, elektronmikroskopi och plasmateknik, under handledning av Prof. Jo Verbeeck (EMAT-forskargruppen) och Prof. Annemie Bogaerts (PLASMANT-forskargruppen), gick samman för att nå denna stora milstolpe.
Som ett nästa steg siktar teamet nu på att vidareutveckla instrumentets analytiska förmåga genom att införliva ytterligare detektorer utöver avbildning för elementär och strukturell karaktärisering i realtid, vilket kan leda till nya insikter i materialvetenskaplig forskning och grunderna för plasmafysik.
Mer information: Lukas Grünewald et al, In situ plasmastudier med användning av en likströmsmikroplasma i ett svepelektronmikroskop, Avancerad materialteknik (2024). DOI:10.1002/admt.202301632
Tillhandahålls av universitetet i Antwerpen
