Il fascio ionico focalizzato, in breve FIB, da «focused ion beam», è uno strumento simile al microscopio elettronico a scansione, o SEM («scanning electron microscope»), che però, al posto degli elettroni di cui si serve il SEM per produrre immagini, usa ioni di gallio per scolpire strutture nanometriche. Nell’industria microelettronica il FIB è usato da oltre venti anni per correggere circuiti integrati difettosi, cioè rimuovere connessioni elettriche indesiderate e costruirne altre.

Esistono principalmente due metodi per lavorare i materiali su scala nanometrica: il top-down (dall’alto verso il basso) e il bottom-up (dal basso verso l’alto). Il primo consiste nel ricavare una struttura più piccola togliendo parti da un blocco più grande; il secondo nel manipolare la materia aggiungendo atomi nelle posizioni volute. Il FIB può operare in un modo e nell’altro; in più, come mostra lo schema seguente, funziona anche da microscopio.

Il FIB è un tubo a vuoto che ha, a un’estremità, un serbatoio di gallio liquefatto. Gli ioni positivi Ga+, rilasciati nel tubo, accelerano per un tratto verso un elettrodo carico negativamente, a potenziale minore rispetto all’uscita del serbatoio. La differenza di potenziale tra la fine e l’inizio di questo tratto può essere regolata ed è normalmente fissata a un valore assoluto compreso tra 1 kV e 50 kV. Da questa differenza di potenziale dipende l’energia cinetica degli ioni che compongono il fascio.

 

Successivamente gli ioni vengono focalizzati per mezzo di lenti elettrostatiche, dispositivi che sfruttano le forze elettriche per correggere le traiettorie delle particelle cariche, cioè per deviarle proprio come le lenti di vetro deviano i raggi di luce. In questo modo il diametro del fascio di ioni viene ristretto fino a un valore di pochi nanometri. In fondo al tubo c’è un altro sistema di lenti che sposta il fascio focalizzato per effettuare la scansione del campione da trattare.

Il FIB usa nella maggior parte dei casi gli ioni Ga+, perché la loro produzione, a partire dal gallio liquido, è facile ed economica. Quando questi ioni colpiscono la superficie del campione, espellono da essa atomi neutri, ioni secondari ed elettroni. Gli ioni secondari e gli elettroni forniscono un segnale da cui si può elaborare un’immagine.

Se l’energia degli ioni Ga+ è bassa, il loro effetto distruttivo sulla superficie del campione è minimo. Perciò, a basse energie il FIB è usato solo per produrre immagini. Ad alte energie, invece, è impiegato come una minuscola fresa per la lavorazione dei materiali su scala nanometrica.

Per usare il FIB in modalità costruttiva, cioè per la deposizione di nuovi atomi, si immettono sostanze vaporizzate nell’ambiente in cui è posto il campione. Il sottile fascio di ioni Ga+, quando colpisce il bersaglio, rompe i legami chimici e modifica localmente i campi elettrici, creando, nella posizione voluta, le condizioni affinché i nuovi atomi si attacchino alla superficie. Materiali comunemente depositati con questo metodo sono il tungsteno, il platino e il carbonio.

La nanocasa mostrata nell’immagine sovrastante è stata costruita in platino a scopo dimostrativo, utilizzando il FIB, da un’azienda canadese di ingegneria dei materiali e ha pareti dello spessore di circa 160 nm.