Mọi công cụ, động cơ và bộ phận chuyển động cuối cùng đều sẽ bị mài mòn theo thời gian. Nhưng thực sự điều gì xảy ra trên bề mặt, nơi các vật liệu tiếp xúc, cọ xát và dần bị phá hủy? Trả lời câu hỏi đó là công việc hằng ngày của TS. Kati Valtonen, Nhà khoa học chính tại Đại học Tampere, nơi kính hiển vi điện tử biến những quá trình mài mòn vô hình thành những hiểu biết giúp vật liệu có độ bền lâu hơn. Làm việc cùng các nhà nghiên cứu và đối tác công nghiệp, bà kết nối những gì xảy ra ở cấp độ vi mô với cách vật liệu hoạt động trong thế giới thực.

Căn chỉnh lamella TEM là một bước thiết yếu để đảm bảo phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đáng tin cậy, đặc biệt khi vùng quan tâm không chứa nền tinh thể có thể định hướng theo trục vùng (zone axis). Quy trình này trình bày cách một cửa sổ tham chiếu silicon phụ trợ có thể hỗ trợ định hướng lamella chính xác trong các mẫu bán dẫn có các tiếp điểm tungsten, cổng và các lớp điện môi.

Khoa học vật liệu hiện đại không còn bị giới hạn ở việc quan sát vật liệu; mà là hiểu, biến đổi và cuối cùng là kỹ thuật hóa chúng. Cho dù là phát triển các loại pin có tuổi thọ cao hơn, thiết kế các thiết bị bán dẫn nhỏ hơn hay tạo ra các vật liệu sinh học mới, các nhà nghiên cứu ngày càng cần những công cụ không chỉ cho phép họ nhìn thấy những gì nằm bên dưới bề mặt mà còn cho phép họ tương tác với vật liệu với độ chính xác ở cấp độ nanomet.

Các nền tảng Kính hiển vi điện tử quét – chùm ion hội tụ (FIB-SEM) tiên tiến, chẳng hạn như những nền tảng do Tescan phát triển, giải quyết thách thức này bằng cách kết hợp khả năng chụp ảnh độ phân giải cao, đặc trưng đa phương thức, biến đổi vật liệu chính xác, tự động hóa và chế tạo nano trong một nền tảng duy nhất.

Không giống như các kính hiển vi điện tử thông thường, vốn chủ yếu cung cấp hình ảnh và thông tin phân tích, FIB-SEM kết hợp hai công nghệ chùm tia bổ trợ cho nhau trong một thiết bị duy nhất. Một chùm điện tử hội tụ cung cấp hình ảnh độ phân giải cao và dữ liệu phân tích, trong khi một chùm ion hội tụ cho phép loại bỏ vật liệu chính xác, chuẩn bị mẫu tại vị trí cụ thể và chế tạo nano. Cùng với nhau, những khả năng này biến kính hiển vi từ một thiết bị chụp ảnh thụ động thành một nền tảng kỹ thuật hoàn chỉnh ở cấp độ nano.

Chuẩn bị mẫu là một trong những bước quyết định chất lượng phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM/STEM. Mẫu không chỉ cần đủ mỏng để electron truyền qua mà còn phải chứa đúng vùng quan tâm – Region of Interest (ROI).

FIB-SEM giải quyết đồng thời hai yêu cầu này: SEM giúp xác định và theo dõi chính xác vị trí cần lấy mẫu, trong khi chùm ion hội tụ FIB thực hiện gia công, tách và làm mỏng một lát mẫu – TEM lamella – tại đúng vị trí cần phân tích.

Một quy trình điển hình gồm:

Xác định ROI → Bảo vệ bề mặt → Trench milling → Undercut → Lift-out → Gắn lên TEM grid → Thinning → Low-kV final polishing.

Các hệ thống FIB-SEM hiện đại còn có thể tự động hóa nhiều bước trong quy trình này, giúp tăng độ lặp lại và giảm sự phụ thuộc vào kỹ năng người vận hành. 

Trong môi trường truyền thông hiện nay, nơi có rất nhiều ý kiến khác nhau, việc cung cấp bối cảnh cho những dữ liệu làm nền tảng cho các ý kiến cũng quan trọng không kém, nếu không muốn nói là quan trọng hơn, so với việc chỉ đưa ra bản thân ý kiến đó. Vì vậy, điều quan trọng là chúng ta không chỉ tập trung vào những dữ liệu đến từ lĩnh vực quan tâm hẹp mà còn phải xem xét bối cảnh rộng hơn – hay nói cách khác là bức tranh tổng thể – để tránh đưa ra những giả định không chính xác về một tình huống. Cách tiếp cận này đặc biệt phù hợp trong lĩnh vực hiển vi, nơi các nhà khoa học và kỹ sư dễ bị thu hút bởi việc chỉ tập trung vào những chi tiết nhỏ nhất trong vật liệu mà họ nghiên cứu, từ đó có thể dẫn đến những kết luận chưa đầy đủ.

Nhưng giả sử mặt cắt ngang được chuẩn bị bằng FIB quá nhỏ và được thực hiện tại một vị trí không có khuyết tật thì sao? Liệu kết luận của chúng ta có phải là vật liệu được sản xuất có chất lượng hoàn hảo? Và nếu chụp cắt lớp 3D được thực hiện trên một thể tích nhỏ và ở độ sâu nông, cho thấy nhìn chung các hạt có kích thước nhỏ thì sao? Liệu chúng ta có sử dụng điều này như một sự xác nhận chắc chắn cho các giả thuyết về cấu trúc của mẫu, mặc dù tình trạng thực tế cuối cùng có thể thay đổi trên toàn bộ chiều rộng và chiều sâu của khu vực quan tâm?

Tại sao SEM siêu phân giải cao lại quan trọng đối với việc phân tích đặc trưng vật liệu?

Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển trong những lĩnh vực như công nghệ pin, luyện kim và khoa học vật liệu tiên tiến dựa vào hình ảnh độ phân giải cao không phải như một mục tiêu cuối cùng, mà như một yếu tố hỗ trợ quan trọng để giải quyết những thách thức phức tạp. Cho dù đó là xác định các khuyết tật ở cấp độ nano trong hợp kim kim loại, tìm hiểu các cơ chế suy giảm trong điện cực pin, hay phân tích đặc trưng các cấu trúc vật liệu phức tạp, nhu cầu về dữ liệu chi tiết và đáng tin cậy đang lớn hơn bao giờ hết.

Khi các kỹ thuật phân tích ngày càng trở nên tinh vi hơn, thách thức đặt ra rất rõ ràng – làm thế nào chúng ta có thể cung cấp các khả năng chụp ảnh tiên tiến mà không tạo ra sự phức tạp không cần thiết cho các nhà nghiên cứu? Thách thức này đã dẫn đến sự phát triển của TESCAN MIRA XR, một hệ thống được thiết kế để cung cấp những thông tin chuyên sâu ở cấp độ nano mà không có sự phức tạp, giúp khả năng chụp ảnh SEM độ phân giải cao và phân tích EDS trở nên dễ tiếp cận với tất cả người dùng, bất kể mức độ chuyên môn của họ.