聚焦离子束（FIB）技术：原理、应用与制样全解析

在微观世界的探索中，科学家们需要极其精密的工具来观察和分析材料的内部结构与成分。聚焦离子束（FIB）技术就是这样一把打开微观世界大门的钥匙，它通过将离子束聚焦到纳米尺度，实现对材料的精确加工和分析。

 

原理与简介

 

聚焦离子束系统利用电透镜将离子束聚焦成非常小的尺寸，目前商用系统通常采用液相金属离子源（LMIS），其金属材质为镓（Ga）。为什么选择镓呢？这是因为它具有低熔点、低蒸气压和良好的抗氧化能力，这些特性使得镓成为理想的离子源材料。在外加电场作用下，液态镓形成泰勒锥，并在强电场牵引下发射镓离子。通过静电透镜聚焦，可获得束斑尺寸为2–3纳米的离子束。操作人员可通过调节孔径控制束流尺寸，实现对样品表面的定点加工。离子束与样品相互作用时，通过物理溅射机制实现材料的剥离、注入、沉积或改性，从而完成包括截面制备、透射电镜（TEM）样品制备、电路修补等在内的多种纳米操作。

 

技术优势

 

1.操作简便与样品兼容性高相比其他样品制备技术，FIB的操作流程更为简单，前处理步骤较少。

这不仅提高了工作效率，更重要的是减少了对样品的潜在污染和损害。对于珍贵或难以获得的样品，这一优势尤为明显。

 

2.精准加工能力FIB技术最突出的优势在于能够实现定点微纳尺度的精准切割。

操作者可以精确控制加工尺寸，获得厚度均匀的样品。这种精准度使得FIB制备的样品适用于多种显微学和显微谱学分析，为材料研究提供了可靠的技术支持。

3.多功能一体化

现代FIB系统通常集成扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）等模块，支持原位加工、成像与成分分析，实现“样品制备—观察—分析”一体化流程，避免样品转移带来的误差与损伤。

样品要求
 

1.样品大小5×5×1cm，当样品过大需切割取样；

2.样品需导电，不导电样品必须能喷金增加导电性；

3.切割深度必须小于10微米。

 

常见问题解答

 

1.样品穿孔或部分脱落的影响

在FIB加工中，特定区域出现穿孔或局部脱落属于正常现象，尤其对于非均质或脆性材料。只要保留足够薄区并满足TEM观测需求，不影响最终分析效果。部分制样方法（如离子减薄）甚至有意制造孔洞以便于观测。

2.制样注意事项

FIB制样需要考虑多个因素，金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

确认样品成分与导电性，非导电样品需预先镀膜；

明确制样目的：是用于SEM截面观察还是TEM分析，不同类型的TEM分析对样品厚度有不同要求对厚度有严格要求；

确定切割位置，建议结合SEM图像精确定位；

样品是否耐受高电压（通常为30 kV）；

表面平整度：抛光处理有助于提高加工精度。

 

3.导电性要求的必要性

FIB制样过程中，样品处于扫描电镜环境下观察，需要清晰可见的样品形貌以确保精确制样。如果样品导电性不足，会导致电荷积累，影响观察效果和加工精度。

FIB的应用范围

 

FIB技术主要应用于以下两类场景：

FIB-SEM：用于制备微米级截面样品，配合SEM观察与EDS成分分析，适用于尺度在2–30 μm的样品，切面直径一般不超过10 μm。为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜(TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

FIB-TEM：制备适用于透射电镜观测的极薄样品，适用于块体、薄膜及微米级颗粒样品，涵盖陶瓷、金属、高分子等多种材料体系。

可能引入的杂质

 

在FIB加工中，可能引入以下外来元素：

铂（Pt）：来源于电子束或离子束诱导沉积的保护层；

镓（Ga）：源于离子源，可能注入样品表层；

金（Au）或铬（Cr）：在对非导电样品进行喷金/喷碳处理时引入。

在进行成分分析时，需注意识别并排除上述杂质元素的干扰。金鉴实验室在数据分析环节将系统评估此类影响，并提供专业解读。

 

结语

 

聚焦离子束技术作为纳米科学与材料分析中的重要工具，以其高精度加工、多功能集成等优势，极大地推动了微观结构研究的发展。随着FIB-SEM双束系统、三维重构等技术的不断进步，其在半导体失效分析、先进材料研发、生物显微等领域的应用将进一步深化。