Mikroskop ljuger inte precis, men deras begränsningar påverkar de sanningar de kan berätta. Till exempel, svepelektronmikroskop (SEM) kan helt enkelt inte se material som inte leder elektricitet särskilt bra, och deras höga energier kan faktiskt skada vissa typer av prover.

I ett försök att extrahera lite mer sanning från världen av nanomaterial och nanostrukturer, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har byggt det första lågenergifokuserade jonstrålemikroskopet (FIB) som använder en litiumjonkälla.

Teamets nya tillvägagångssätt öppnar för möjligheten att skapa en hel kategori av FIB:er med vilken som helst av upp till 20 olika element, avsevärt öka alternativen för bildbehandling, skulptera, eller kännetecknande material.

Även om det nya mikroskopets upplösning ännu inte är lika bra som ett SEM eller ett heliumjonmikroskop (HIM), den kan avbilda icke-ledande material och kan tydligare visualisera den kemiska sammansättningen på ytan av ett prov än SEM och FIB med högre energi. Och, genom att analysera energin med vilken jonerna sprids, forskarna har visat att mikroskopet inte bara ska kunna se att närliggande material är kemiskt olika, men också identifiera de element som utgör dem.

Jabez McClelland och hans kollegor vid NIST tillämpade Nobelprisbelönta laserkylningstekniker för att göra den första lågenergi-FIB med litiumjoner 2011. Sedan dess, de har arbetat med att förfina tekniken för att öka strålens ljusstyrka och kollimation, dvs. få alla joner att röra sig i samma riktning för att göra det mer användbart för bildbehandlingstillämpningar.

Det nya instrumentet kyler först en gas av neutrala litiumatomer till en temperatur på cirka 600 mikrokelvin, bara några miljondelar av en grad över den absoluta nollpunkten, använda lasrar och en magneto-optisk fälla (MOT) för att hålla atomerna. En annan laser joniserar atomerna och sedan accelererar elektriska fält dem, räta ut sin flygning och fokusera strålen på ett mål.

NIST FIB kan producera litiumjonstrålar med energier i intervallet 500 elektronvolt till 5, 000 elektronvolt (jämfört med cirka 30, 000 elektronvolt för HIMs.) NIST-teamet kan minska strålens energi ytterligare, men frånstötande interaktionseffekter vid källan begränsar hur små de kan fokusera strålen när accelerationsfältet är svagare.

Som beskrivs i deras tidning, teamet visade hur deras mikroskop kunde hjälpa till att lösa ett vanligt problem inom nanoimprint litografi, en process för stencilering av mönster på silikonchips. Denna teknik kräver etsning i kislet genom utrymmena i litografistencilen för att överföra mönstret.

"Innan tillverkare kan etsa kislet, de måste se till att utrymmena är fria från kemikalierester, " säger McClelland. "Allmänt, de använder en process som kallas plasmaetsning för att rensa bort resterna, men de måste vara noga med att inte överdriva det, annars kan de skada substratet och förstöra chipet. Vårt FIB-skop kan kontrollera om plasman har gjort sitt arbete utan att skada chipet. Ett svepelektronmikroskop kunde inte göra detta eftersom det är svårt att se de tunna resterna, och högenergistrålen kommer sannolikt att ladda upp och/eller smälta stencilen och förvärra problemet."

Gruppen har stora planer för mikroskopet. Ett framtida projekt de planerar att göra är att försöka reda ut exakt hur litiumbatterier fungerar genom att injicera litiumjoner i materialen och se hur de påverkar batteriernas beteende. Denna och andra applikationer kommer att lägga till kapaciteten hos NIST:s nanoteknikanvändaranläggning, Center for Nanoscale Science and Technology, där arbetet utförs.

Några tidigare medlemmar i gruppen har startat ett eget företag för att utveckla en lågenergi cesium FIB för fräsning och skulptering av detaljer i storleksordningen enstaka nanometer, ett stort steg i nanotillverkning om det lyckas.

"Denna nya form av mikroskopi som vi har utvecklat lovar att tillhandahålla ett nytt verktyg för nanoteknik med god ytkänslighet, elementär kontrast och hög upplösning, ", säger McClelland. "Applikationerna sträcker sig från nanotillverkningsprocesskontroll till nanomaterialutveckling och avbildning av biomaterial."