Микрозонд — это прибор, который направляет на образец стабильный и хорошо сфокусированный пучок заряженных частиц ( электронов или ионов ).
Когда первичный пучок состоит из ускоренных электронов, зонд называется электронным микрозондом , когда первичный пучок состоит из ускоренных ионов, используется термин ионный микрозонд . Термин микрозонд может также применяться к оптическим аналитическим методам, когда прибор настроен на анализ микрообразцов или микроучастков более крупных образцов. Такие методы включают микрорамановскую спектроскопию , микроинфракрасную спектроскопию и микроLIBS . Все эти методы включают модифицированные оптические микроскопы для определения области анализа, направления зондирующего луча и сбора аналитического сигнала.
Лазерный микрозонд представляет собой масс-спектрометр , использующий ионизацию импульсным лазером и последующий массовый анализ образующихся ионов. [1] [2] [3]
Ученые используют этот пучок заряженных частиц для определения элементного состава твердых материалов ( минералов , стекол , металлов ). [4] Химический состав мишени можно определить из элементных данных, полученных с помощью испускаемых рентгеновских лучей (в случае, когда первичный пучок состоит из заряженных электронов) или измерения испускаемого вторичного пучка материала, распыленного мишенью (в случае, когда первичный пучок состоит из заряженных ионов).
Когда энергия ионов находится в диапазоне нескольких десятков кэВ (килоэлектронвольт), эти микрозонды обычно называются FIB ( фокусированный ионный пучок ). FIB превращает небольшую часть материала в плазму; анализ выполняется с помощью тех же основных методов, что и те, которые используются в масс-спектрометрии .
Когда энергия ионов выше, от сотен кэВ до нескольких МэВ (мегаэлектронвольт), их называют ядерными микрозондами. Ядерные микрозонды являются чрезвычайно мощными инструментами, которые используют методы анализа ионного пучка в качестве микроскопии с размерами пятна в микро-/нанометровом диапазоне. Эти инструменты применяются для решения научных задач в самых разных областях, от микроэлектроники до биомедицины. В дополнение к разработке новых способов использования этих зондов в качестве аналитических инструментов (эта область применения ядерных микрозондов называется ядерной микроскопией ), в последнее время был достигнут значительный прогресс в области модификации материалов (большинство из которых можно описать как PBW, proton beam writing ).
Пучок ядерного микрозонда [5] обычно состоит из протонов и альфа-частиц . Некоторые из самых современных ядерных микрозондов имеют энергию пучка свыше 2 МэВ. Это дает устройству очень высокую чувствительность к мельчайшим концентрациям элементов, около 1 ppm при размерах пучка менее 1 микрометра . Эта элементная чувствительность существует потому, что когда пучок взаимодействует с образцом, он испускает характеристические рентгеновские лучи каждого элемента, присутствующего в образце. Этот тип обнаружения излучения называется PIXE . Другие методы анализа применяются в ядерной микроскопии, включая резерфордовское обратное рассеяние (RBS), STIM и т. д.
Другое применение микрозондов — производство микро- и наноразмерных устройств, как в микроэлектромеханических системах и наноэлектромеханических системах . [6] Преимущество микрозондов перед другими процессами литографии заключается в том, что луч микрозонда можно сканировать или направлять на любую область образца. Это сканирование луча микрозонда можно представить как использование очень тонкого карандаша для рисования вашего дизайна на бумаге или в программе для рисования. Традиционные процессы литографии используют фотоны, которые нельзя отсканировать, и поэтому необходимы маски для выборочного воздействия на ваш образец излучения. Именно излучение вызывает изменения в образце, что, в свою очередь, позволяет ученым и инженерам разрабатывать крошечные устройства, такие как микропроцессоры, акселерометры (как в большинстве систем безопасности автомобилей) и т. д.