[论文解读] 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 9

一句话总结

Laplace项目引入了一种集成的、低温的、超高真空（UHV）样品转移系统，实现了对环境敏感材料的原子探针穿刺术（APT）与电子显微镜的关联表征。通过在整个制备、转移和分析过程中将样品保持在液氮温度下，采用UHV低温手提箱、低温聚焦离子束（FIB）和氮气手套箱，有效抑制了氧化和污染，成功实现了对纯镁和冷冻冰的APT分析，未观察到表面降解或升华现象。

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.

研究动机与目标

• 解决原子探针穿刺术和电子显微镜在样品制备与转移过程中因环境影响导致的降解问题。
• 实现对极易受氧气、湿气和温度影响的材料（如活性金属和氢化物）的关联表征。
• 开发闭环、低温、兼容UHV的工作流程，防止样品处理过程中的表面氧化与污染。
• 证明在低温条件下对液态或软质材料（如冰）进行APT分析的可行性。
• 建立从制备到分析全程保持样品完整性的操作规程，确保化学与结构表征的准确性。

提出的方法

• 采用超高真空低温手提箱（UHVCTS）在制备与分析平台之间实现样品转移，维持压力低于10⁻⁹ mbar，并保持液氮温度。
• 集成快速对接装置，连接两台原子探针、一台氙等离子体FIB/SEM以及一个氮气手套箱，实现快速、无污染的转移。
• 使用低温冷却的等离子体FIB，配备固态冷却平台，以减少束流损伤、辐射分解及化学反应活性。
• 在整个工作流程中保持低温与UHV条件——从手套箱中的样品制备到APT分析，采用被动低温捕集器和低温平台。
• 利用氮气手套箱进行对气氛敏感的工艺（如电解氢充电），通过在线气体净化实现接近环境湿度的水汽水平。
• 在FIB平台上实现变温控制，以实现铂前驱体沉积的选择性使用，并控制水溶液基底的升华行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过完全低温、兼容UHV的转移系统，在APT样品制备与转移过程中有效防止表面氧化与污染？
• RQ2 低温冷却在FIB加工过程中对抑制敏感材料的束流损伤与辐射分解有多大作用？
• RQ3 在无显著融化或升华的前提下，是否可行地制备并分析冷冻冰样？
• RQ4 是否能够将整个样品处理流程——从制备到APT分析——全程维持在低温与UHV条件下，以保持化学完整性？
• RQ5 低温预冷在减少氧气渗透与反应性金属（如镁）表面氧化方面效果如何？

主要发现

• 在低温条件下制备与转移的镁样品成功避免了表面氧化，而室温制备并暴露于空气的样品则出现了氧化现象。
• 氧渗透深度显著降低：室温制备的样品中，次表层氧化扩展至数十纳米，而低温制备的样品中该现象被有效抑制。
• 冷冻冰样品成功完成制备与转移，未检测到融化或升华现象，证明了对通常为液态或软质材料进行APT分析的潜力。
• 采用低温冷却的等离子体FIB显著降低了束流损伤，可能还抑制了吸附气体的辐射分解，从而最小化了表面污染。
• 氮气手套箱实现了可忽略的水汽水平，证实其在预处理阶段对氧气和湿气敏感材料具有良好的隔离与保护能力。
• FIB平台的变温控制实现了铂前驱体沉积的精确控制，并为水溶液基底的升华控制提供了可能，从而提升了样品完整性。