[論文レビュー] The Laplace project: an integrated suite for correlative atom probe tomography and electron microscopy under cryogenic and UHV conditions

Leigh T. Stephenson, Agnieszka Szczepaniak+14 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2018

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

ラプラスプロジェクトは、環境に感受性を示す材料の相関的原子プローブトモグラフィー（APT）および電子線顕微鏡法を可能にする統合的で冷却・超高真空（UHV）の試料搬送システムを導入した。試料を液体窒素温度で準備・搬送・分析の全工程にわたり維持することで、酸化や汚染を抑制した。これは、純粋なマグネシウムや凍結した氷のAPT分析において、表面の劣化や昇華が認められなかったことで実証された。

ABSTRACT

We present sample transfer instrumentation and integrated protocols for the preparation and correlative characterization of environmentally-sensitive materials by both atom probe tomography and electron microscopy. Ultra-high vacuum cryogenic suitcases allow specimen transfer between preparation, processing and several imaging platforms without exposure to atmospheric contamination. For expedient transfers, we installed a fast-docking station equipped with a cryogenic pump upon three systems; two atom probes, a scanning electron microscope / Xe-plasma focused ion beam and a N$_2$-atmosphere glovebox. We also installed a plasma FIB with a solid-state cooling stage to reduce beam damage and contamination, through reducing chemical activity and with the cryogenic components as passive cryogenic traps. We demonstrate the efficacy of the new laboratory protocols by the successful preparation and transfer of two highly contamination- and temperature-sensitive samples - water and ice. Analysing pure magnesium atom probe data, we show that surface oxidation can be effectively suppressed using an entirely cryogenic protocol (during specimen preparation and during transfer). Starting with the cryogenically-cooled plasma FIB, we also prepared and transferred frozen ice samples while avoiding significant melting or sublimation, suggesting that we may be able to measure the nanostructure of other normally-liquid or soft materials. Isolated cryogenic protocols within the N$_2$ glove box demonstrate the absence of ice condensation suggesting that environmental control can commence from fabrication until atom probe analysis.

研究の動機と目的

• 原子プローブトモグラフィー（APT）および電子線顕微鏡法における試料の準備および搬送中の環境的劣化の課題に対処すること。
• 酸素、湿気、温度に極めて感受性を示す材料（例：反応性金属や水素化物）の相関的特性評価を可能にすること。
• 表面の酸化や汚染を防ぐために、閉ループ型の冷却・UHV対応ワーケーフローを構築すること。
• 液体状または柔ららかく、通常は液体状態の材料（例：氷）を冷却条件下でAPTで分析可能であることを実証すること。
• 試料の加工から分析までの全工程で、化学的・構造的特性評価の正確性を保証するための試料の完全性を維持するプロトコルを確立すること。

提案手法

• 超高真空冷却スーツケース（UHVCTS）を用いて、準備と分析プラットフォーム間での試料搬送を実施し、<10⁻⁹ mbarおよび液体窒素温度を維持する。
• 2台の原子プローブ、XeプラズマFIB/SEM、N₂グローブボックスを統合した高速ドッキングステーションを設置し、迅速かつ汚染のない搬送を実現する。
• 固体状態冷却ステージを備えた冷却プラズマFIBを用いて、試料の加工中にビーム損傷、放射線分解、化学反応性を低減する。
• 試料の加工からAPT分析までの全工程にわたり、被動的冷却トラップおよび低温ステージを用いて冷却状態を維持する。
• N₂グローブボックスを用いて、大気感受性のプロセス（例：電気的水素チャージング）を実施し、ガス洗浄装置を内蔵することで、環境に近い水蒸気レベルを達成する。
• FIBステージに可変温度制御を導入し、Pt前駆体の堆積を正確に制御し、水溶液基板の昇華制御の可能性を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に冷却されたUHV対応の搬送システムは、APT試料の準備および搬送中に表面の酸化や汚染を防止できるか？
• RQ2 冷却状態でのビーム誘発損傷および放射線分解は、感受性材料のFIB処理においてどの程度抑制されるか？
• RQ3 氷を凍結状態で準備および分析することが、顕著な融解や昇華なしにAPTで可能か？
• RQ4 試料の加工からAPT分析までの全プロセスを冷却およびUHV条件下で維持することで、化学的完全性が保たれるか？
• RQ5 反応性金属（例：マグネシウム）において、冷却前処理が酸素の浸透と表面酸化をどの程度低減するか？

主な発見

• 冷却条件下で準備および搬送されたマグネシウム試料では、表面の酸化が完全に防止されたが、室温で準備された試料は大気に露出したため酸化が認められた。
• 酸素の浸透深さが顕著に低減され、室温で準備された試料では表面下数十ナノメートルにわたって酸化が広がっていたが、冷却条件下で準備された試料では酸化が抑制された。
• 凍結した氷試料は、検出可能な融解や昇華を伴わず、正常に準備および搬送され、通常は液体または柔ららかく、APT分析が可能な材料の可能性を示した。
• 冷却されたプラズマFIBの使用により、ビーム誘発損傷が低減され、吸着ガスの放射線分解も抑制された可能性があり、表面汚染が最小限に抑えられた。
• N₂グローブボックスは、水蒸気濃度を極めて低く維持でき、酸素および湿気に感受性の高い材料の前処理における隔離・保護能力を確認した。
• FIBステージの可変温度制御により、Pt前駆体の堆積が正確に制御可能であり、水溶液基板の昇華制御の可能性も示され、試料の完全性が向上した。