2020-02-08-2小刘科研笔记之FIB-SEM双束系统在材料研究中的应用

聚焦离子束扫描电镜双束系统（FIB-SEM）是在SEM的基础上增加了聚焦离子束镜筒的双束系统，同时具备微纳加工和成像的功能，广泛应用于科学研究和半导体芯片研发等多个领域。本文记录一下FIB-SEM在材料研究中的应用。

以目前实验室配有的FIB-SEM的型号是蔡司的Crossbeam 540为例进行如下分析，离子束最高成像分辨率为3nm，电子束最高分辨率为0.9nm。该系统的主要部件及功能如下：

1.离子束： 溅射（切割、抛光、刻蚀）；刻蚀最小线宽10nm，切片最薄3nm。 

2.电子束 ： 成像和实时观察

3.GIS(气体注入系统)： 沉积和辅助刻蚀；五种气体：Pt、W、SiO2、Au、XeF2(增强刻蚀SiO2)

4.纳米机械手：  转移样品 

5.EDS： 成分定量和分布

6.EBSD ： 微区晶向及晶粒分布

7.Loadlock（样品预抽室）： 快速进样，进样时间只需~1min

由上述FIB-SEM的一个部件或多个部件联合使用，可以实现在材料研究中的多种应用，具体应用实例如下：

图2a和b分别是梳子形状的CdS微米线的光学显微镜和扫描电镜照片，从光学显微镜照片可以看出在CdS微米线节点处内部含有其他物质，但无法确定是什么材料和内部形貌。利用FIB-SEM在节点处定点切割截面，然后对截面成像和做EDS mapping，如图2c、d、e和f所示，可以很直观的得到在CdS微米线的节点处内部含有Sn球。

FIB-SEM制备TEM样品的常规步骤如图3所示，主要有以下几步：

1）在样品感兴趣位置沉积pt保护层

2）在感兴趣区域的两侧挖大坑，得到只有约1微米厚的薄片

3）对薄片进行U-cut，将薄片底部和一侧完全切断

4）缓慢移下纳米机械手，轻轻接触薄片悬空的一端后，沉积pt将薄片和纳米机械手焊接牢固，然后切断薄片另一侧，缓慢升起纳米机械手即可提出薄片

5）移动样品台和纳米机械手，使薄片与铜网（放置TEM样品用）轻轻接触，然后沉积pt将薄片和铜网焊接牢固，将薄片和纳米机械手连接的一端切断，移开纳米机械手，转移完成

6）最后一步为减薄和清洗，先用大加速电压离子束将薄片减薄至150nm左右，再利用低电压离子束将其减薄至最终厚度（普通TEM样品<100nm，高分辨TEM样品50nm左右，球差TEM样品<50nm）

一种如图4a所示的MoS2场效应管，需要确定实际器件中MoS2的层数及栅极（Ag纳米线）和MoS2之间的距离。利用FIB-SEM可以准确的在MoS2场效应管的沟道位置，垂直于Ag纳米线方向，提出一个薄片，并对其进行减薄，制备成截面透射样。在TEM下即可得到MoS2的层数为14层（图4c）， Ag纳米线和MoS2之间的距离为30nm（图4b）。

图5是一种锰酸锂材料的STEM像，该样品是由FIB-SEM制备，图中可以看到清晰的原子像。这表明FIB-SEM制备的该球差透射样非常薄并且有很少的损伤层。

FIB-SEM还可以进行微纳图形的加工。

图6a 是FIB-SEM在Au/SiO2上制备的光栅，光栅周期为150nm，光栅开口为75nm。

图6b 是利用FIB-SEM在Mo/石英上做的切仑科夫辐射源针尖，针尖曲率半径为17nm。

图6c 是在Au膜上加工的三维对称结构蜘蛛网。

图6d 是FIB-SEM在硅上刻蚀的贺新年图案，图中最小细节尺寸仅有25nm。

FIB-SEM可以对材料进行切片式的形貌和成分三维重构，揭示材料的内部三维结构。大概过程如图7a所示， FIB切掉一定厚度的样品，SEM拍一张照片，重复此过程，连续拍上百张照片，然后将上百张切片照片重构出三维形貌。图7b是一种多孔材料内部3×5×2um范围的三维重构结果，其实验数据是利用FIB-SEM采集，三维重构是利用Avizo软件得到，其分辩率可达纳米级，展示了内部孔隙的三维空间分布，并可以计算出孔隙的半径大小、体积及曲率等参数。

利用FIB-SEM配有的纳米机械手及配合使用离子束沉积Pt，可以实现微米材料的转移，即把某种材料从一个位置（衬底）转移到特定位置（衬底），并固定牢固。图8是把四针氧化锌微米线从硅片转移到两电极的沟道之间，从而制备成两个微米线间距只有1um的特殊器件。

最后，FIB-SEM还有很多其他的应用，例如三维原子探针样品制备，芯片线路修改等。总之FIB-SEM是材料研究中一个非常重要的手段。

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。

相信很多厂家都一直在为客诉里面的低压和胀气而烦恼吧，那么，第一步，先选好您的隔膜；

在检测隔膜之前，您要知道隔膜重点检测的参数有哪些；

1、基本参数，包括：厚度、宽度、面密度（计算法）、弧度（卷绕很重要）等；这些都很简单，不详述了；

2、外观：白色，无毛刺,无毛边,光滑无皱,无污染，无划痕，无凝胶点，无黑色斑点，这些主要用看的；

3、针孔：用暗箱测试，很简单一个装置，用箱子罩住一个灯泡，箱子上开个小口，小装置，大用途，这些针孔的多少直接影响短路率；

用暗箱很容易发现针孔，如果不能辨别是否是针孔，可以照SEM，如下图片便是针孔的SEM图：

做过这么一个实验，将有针孔的和无针孔的同一品牌的隔膜做了测试，发现有针孔的短路率是无针孔的3倍，可见，针孔的检测是多么重要；

4、透气度：不同的透气度会影响电池的性能，例如倍率性能，内阻等等；如果波动太大，直接影响组装过程的短路，

所以，必须在样品认证的时候就规定好透气度的范围，量产后每批监控，波动范围不能超过50S/100CC；太大，就不能保证产品的一致性了。

透气度测试用Gurley指数测试仪就好了，进口的也才4万多一台，小投资，大回报；实在不想买的就送给我帮你们测试吧，少量收取费用，哈哈。

5、扫描电镜：没有条件的厂家必须在样品阶段送测，确认隔膜的成孔是否均匀，有没有破孔；通过SEM我们可以很直接的看到该厂家的产品一致性；

还可以知道该厂采用的工艺，湿法还是干法；世界各国的隔膜SEM图片我都有，而且定期会更新，积累很重要，从这些也可以看出哪些厂在进步。

量产后，有条件的话可以每批次送测。

6、其他参数：吸液性（就是用电解液浸泡，看吸收了多少量，浸泡时间自己规定，规定好了就不要变，这样方便对比）；热缩率（一般90度烘烤4h，标准可以参照供应商测试结果，也可以根据工艺要求来定，一般的隔膜这一项都没问题）；这些参数样品承认的时候测试一下就好了，前面5项不出问题，这些都不会有太大的问题。

7、免检项目：针刺强度、拉伸强度、抗腐蚀等；按照供应商给定的就好了，一般问题不大。

扫描电镜检测是材料微观形貌观察必不可少的研究手段，但水凝胶材料由于含有大量水分或有机溶剂，无法直接放入电镜中观察。电镜工作需要维持高真空环境，而水分在真空中会迅速挥发，导致图像异常甚至电镜故障。

因此，对于水凝胶样品，通常需要进行冷冻干燥处理，将水分去除后再进行拍摄。

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