研究人员在等离子体处理过程中实现实时显微成像

安特卫普大学(比利时)的一个跨学科研究小组成功地对扫描电子显微镜(SEM)内产生的等离子体进行了原位研究。这标志着首次在用等离子体处理样品的同时实现实时SEM成像。该研究发表在《先进材料技术》杂志上。

等离子体通常被描述为电离气体或物质的第四态，具有广泛的应用。例如，在半导体行业，它们在用于制造计算机芯片的光刻工艺中发挥着关键作用。

他们还对绿色化学应用产生了浓厚的兴趣，例如将CO2和CH4转化为增值化学品或可再生燃料、用于绿色肥料生产的N2固定，以及生物医学应用，例如癌症治疗、伤口愈合，或消毒。此外，等离子体也是广泛研究的主题，以获得更基本的见解。

等离子体应用的许多相关过程发生在微观水平上，并且它们的观察通常需要超出传统光学显微镜能力的高分辨率图像。因此，本研究使用了扫描电子显微镜(SEM)。

这种显微镜使用高能电子的聚焦光束，在感兴趣的材料表面上进行扫描。通过收集电子束产生的各种信号并逐像素编译它们，可以生成样品的高度放大图像，直至纳米范围。

为了在SEM中进行这些原位等离子体研究，需要解决几个挑战。首先，电子显微镜通常在高真空条件下操作，以尽量减少电子与气体分子的相互作用。

为了产生等离子体所需的气体云，将末端带有微米大小孔的细管引入显微镜室，以允许受控的气体流向样品。有限的气流足以进行局部等离子体操作，同时保持显微镜其余部分的低压以进行成像。

其次，产生和维持等离子体需要强大的电场，该电场会影响显微成像所需的电子。通过优化装置的硬件和参数，该团队最大限度地减少了电子束的偏转，并确保稳定的等离子体放电，从而在等离子体操作期间实现实时成像。这样，就可以捕获铜膜处理的实时视图，如上/下视频所示。

这一重大成就的实现得益于能够参与该项目的跨学科研究人员团队。在JoVerbeeck教授(EMAT研究小组)和AnnemieBogaerts教授(PLASMANT研究小组)的指导下，具有电子学、电子显微镜和等离子体技术背景的人们齐心协力，共同实现了这一重大里程碑。

作为下一步，该团队现在的目标是通过结合成像之外的其他探测器来进一步开发仪器的分析能力，以进行实时元素和结构表征，这可能会给材料科学研究和等离子体物理学基础带来新的见解。