[논문 리뷰] The Laplace project: an integrated suite for correlative atom probe tomography and electron microscopy under cryogenic and UHV conditions

Leigh T. Stephenson, Agnieszka Szczepaniak외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 28.

Advanced Materials Characterization Techniques참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

라플라스 프로젝트는 환경적으로 민감한 재료의 정밀 원자 프로브 톰그래피(APT) 및 전자현미경을 위한 통합된, 냉각된, 초고진공(UHV) 시료 이송 시스템을 도입한다. UHV 냉각 케이스, 냉각 FIB, 질소 기반 장갑상자 등을 사용하여 시료를 준비, 이송, 분석 전 과정에서 액체 질소 온도를 유지함으로써 산화 및 오염을 억제하였으며, 순수한 마그네슘과 고체 수증기 상태의 얼음의 경우 표면 변형이나 sublimation 없이 성공적인 APT 분석을 통해 이를 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원자 프로브 톰그래피(APT) 및 전자현미경을 위한 시료 준비 및 이송 과정에서의 환경적 분해 문제를 해결한다.
• 산소, 수증기, 온도에 매우 민감한 재료(예: 반응성 금속 및 수소화물 등)의 연속적 특성 분석을 가능하게 한다.
• 표면 산화 및 오염을 방지하기 위해 폐쇄형 루프, 냉각 조건, UHV 호환 워크플로우를 개발한다.
• 냉각 조건에서 액체 유사 또는 연성 재료(예: 얼음)의 APT 분석 가능성을 입증한다.
• 제작에서 분석에 이르기까지 시료의 무결성을 유지하는 프로토콜을 수립하여 정확한 화학적 및 구조적 특성 분석을 보장한다.

제안 방법

• 준비 및 분석 플랫폼 간 시료 이송을 위해 초고진공 냉각 케이스(UHVCTS)를 구현하여, <10⁻⁹ mbar 및 액체 질소 온도를 유지를 한다.
• 두 대의 원자 프로브, Xe 플라즈마 FIB/SEM, 질소 기반 장갑상자를 포함한 빠른 도킹 스테이션을 통합하여, 빠르고 오염 없이 이송할 수 있도록 한다.
• 냉각된 플라즈마 FIB를 사용하여 빔 손상, 방사선 분해 및 화학 반응성을 감소시키며, 시료 준비 과정에서의 영향을 최소화한다.
• 냉각 조건을 제작에서 APT 분석에 이르기까지 전 과정에 걸쳐 유지하기 위해 수동 냉각 트랩 및 저온 스테이지 사용한다.
• 대기 중에 민감한 공정(예: 전기화학적 수소 충전)을 위해 질소 기반 장갑상자를 사용하고, 내장형 가스 정화 장치를 통해 실내 수준의 수증기 농도를 확보한다.
• FIB 스테이지에 온도 제어 기능을 도입하여 플라즈마 금속 전구체 도포 및 수용성 기초의 증발 제어를 선택적으로 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 냉각된, UHV 호환 이송 시스템이 APT 시료 준비 및 이송 과정에서 표면 산화 및 오염을 방지할 수 있는가?
• RQ2 냉각 조건이 FIB 가공 중 민감한 재료에서 빔 유도 손상 및 방사선 분해를 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 냉각 조건에서 얼음 시료를 준비 및 분석할 수 있는가? 특히 융해 또는 증발이 심각하게 발생하지 않는가?
• RQ4 제작에서 APT 분석에 이르기까지 전체 시료 워크플로우가 냉각 및 UHV 조건에서 유지되어 화학적 무결성이 보존되는가?
• RQ5 반응성 금속인 마그네슘에서 산소 침투 및 표면 산화를 줄이기 위해 냉각 전처리가 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 냉각 조건에서 준비 및 이송된 마그네슘 시료에서는 표면 산화가 방지되었으며, 실온에서 준비된 시료는 공기 노출로 인해 산화가 발생한 것과 대비된다.
• 산소 침투 깊이는 현저히 감소하였으며, 실온에서 준비된 시료에서는 수백 나노미터의 표면 이하까지 산화가 진행되었지만, 냉각 조건에서 준비된 시료에서는 이 현상이 억제되었다.
• 고체 상태의 얼음 시료는 융해 또는 증발이 감지되지 않게 성공적으로 준비 및 이송되었으며, 일반적으로 액체 또는 연성 재료로 간주되는 물질의 APT 분석 가능성을 입증하였다.
• 냉각된 플라즈마 FIB의 사용은 빔 손상을 감소시키고, 흡착된 기체의 방사선 분해를 억제할 가능성이 있으며, 표면 오염을 최소화하였다.
• 질소 기반 장갑상자는 수증기 농도를 극히 낮게 유지하여 산소 및 수증기 민감 재료의 전처리 과정에서의 고립 및 보호 능력을 확인하였다.
• FIB 스테이지의 온도 제어 기능을 통해 정밀한 플라즈마 금속 전구체 도포가 가능했으며, 수용성 기초의 증발 제어 가능성도 제시되어 시료의 무결성이 향상되었다.