Sorgenti ioniche a bassa energia da atomi ultra-freddi
I fasci ionici focalizzati (FIB) sono uno strumento estremamente potente e versatile per l’analisi e la modifica delle superfici su scala sub-micrometrica.
Per la sua rilevanza, la tecnologia dei FIB ha attratto consistenti sforzi di ricerca e sviluppo nell’ultimo decennio. Essi hanno consentito di progettare macchine sempre più performanti ed efficienti, ma allo stesso tempo hanno messo in evidenza alcune limitazioni di natura tecnica e fondamentale, che, ad esempio, impediscono di raggiungere risoluzioni spaziali nanometriche e prevengono l’impiego dei FIB per una vasta classe di materiali emergenti (tessuti organici, soft matter, layered materials, etc.).
Questa ricerca ha l’obiettivo di sviluppare una sorgente FIB radicalmente innovativa, basata sulla ionizzazione di fasci atomici raffreddati via laser. L’eccellente capacità di controllo sulle proprietà dinamiche offerta dalla manipolazione laser può essere così trasferita alla creazione di fasci ionici con proprietà dinamiche nettamente superiori rispetto alle sorgenti convenzionali, dove si sfrutta la ionizzazione per effetto di campo di metalli liquidi. In particolare, il controllo sull’energia cinetica degli ioni prodotti consente di superare il limite dell’aberrazione cromatica, permettendone un’efficace focalizzazione su dimensioni nanometriche. Inoltre le fasi di creazione ed estrazione/accelerazione delle cariche possono essere completamente disaccoppiati tra loro, in modo da mantenere eccellenti proprietà dinamiche anche in fasci accelerati a potenziali inferiori a 5 kV, come richiesto per applicazioni con superfici fragili.
L’idea di fondo è stata sviluppata nell’ambito di un Progetto Europeo (MC-IAPP 251391 “Coldbeams”), coordinato da Université Paris-Sud, che ha coinvolto dipendenti e associati CNR-INO presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa e una ditta leader mondiale nella produzione di colonne FIB, Orsay Physics – TESCAN, Fuveau, France. Sono state individuate due diverse strategie di produzione degli ioni: fotoionizzazione diretta di un fascio atomico prodotto da una trappola magneto-ottica e field-ionization di atomi eccitati a livelli di Rydberg. Sfruttando quest’ultimo metodo, presso Orsay Physics -TESCAN è stato realizzato un prototipo di microscopio a ioni di cesio che ha già dimostrato eccellenti potenzialità (imaging con risoluzione sotto 10 nm per potenziali di accelerazione di pochi kV).
Nell’attuale fase di sviluppo di questa nuova tecnologia, finalizzata alla sua industrializzazione, ci sono numerose attività di ricerca ancora da esplorare. Esse spaziano dall’ottimizzazione delle strategie di ionizzazione, in particolare per la produzione deterministica di ion bunches contenenti pochi ioni, all’analisi delle interazioni superficie/ioni alcalini, in particolare per lo studio dei processi di scrittura, impiantazione ionica e modifica morfologico/strutturale che si verificano nel regime, finora inesplorato, di basse dosi e bassi potenziali di accelerazione.
Shematica dell'esperimento dedicato alla produzione deterministica di ioni singoli: una MOT piramidale produce un fascio atomico lento che, dopo una fase di raffreddamento trasverso, viene ionizzato via laser. Gli ioni prodotti sono accelerati e rivelati.
Esempio di scrittura su sostrato di inox tramite un fascio di ioni di Cesio focalizzato che usa una sorgente ionica basata su atomi ultr-freddi