中性镓原子簇诱导纳米孔：聚焦离子束显微镜中未被重视的损伤机制及其纳米流体应用潜力

研究人员发现液态金属离子源(LMIS)产生的中性镓原子簇会绕过静电束遮挡系统，在薄层材料(≤20 nm)上形成直径约2 nm的纳米孔。通过高分辨透射电镜(HR-TEM)、多层切片叠层成像等技术证实，这些尺寸均一的纳米孔经电子辐照可去除污染并可控扩增，为纳米流体尺寸选择性膜提供了新制备方法。

　　

在微纳加工领域，聚焦离子束(FIB)显微镜被誉为"纳米手术刀"，其精确的离子束操控能力使其在半导体制造、生物样品制备等领域不可或缺。然而鲜为人知的是，作为FIB核心部件的液态金属离子源(LMIS)在产生镓离子的同时，还会释放出不受电场控制的中性原子簇。这些"隐形破坏者"能绕过所有静电偏转系统，悄然在样品表面留下纳米尺度的损伤痕迹，成为影响加工精度的潜在干扰因素。

美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂的研究团队在《Microscopy and Microanalysis》发表的研究中，首次系统揭示了中性镓原子簇在薄层材料上诱导形成纳米孔的现象。通过创新性地利用静电束遮挡技术隔离带电粒子，研究人员证实这些中性簇能在六方氮化硼(hBN)、硅等≤20 nm的薄膜上制造出直径约2 nm、尺寸分布狭窄的纳米孔。更引人注目的是，这些纳米孔可通过电子辐照进行清洁和尺寸调控，为开发新型纳米流体过滤膜提供了全新思路。

研究采用多尺度表征技术体系：首先利用Zeiss ORION NanoFab FIB显微镜在静电遮挡模式下进行中性簇辐照实验；通过高分辨透射电镜(HR-TEM)和扫描透射电镜(STEM)观察纳米孔形貌；采用电子能量损失谱(EELS)分析孔内化学成分；创新性应用多层切片叠层成像技术(multislice ptychography)实现纳米孔的三维重构；最后在FEI ThemIS电镜中进行电子辐照实验，研究纳米孔的清洁与扩增行为。

研究结果部分的重要发现包括：

1. 中性簇诱导的纳米孔特征：在hBN、SiN_x和Si薄膜上均观察到随机分布的纳米孔，平均直径2.13±0.48 nm。通过对比两个不同LMIS源的实验结果，证实纳米孔尺寸分布具有重现性。

1. 纳米孔的三维结构：多层切片叠层成像显示纳米孔呈贯通结构，侧壁近乎平行，顶部和底部开口尺寸相近。部分孔被无定形物质堵塞，EELS分析表明这些物质主要为碳氢污染物。

1. 电子辐照调控效应：80 kV电子束辐照既能去除孔内污染物，又能可控扩大孔径。如图5所示，单个纳米孔可在300秒内从1.5 nm扩展至5 nm，且所有孔的扩增速率基本一致。

这项研究的重要意义在于：首次系统揭示了LMIS中性簇的产生及其材料损伤机制，为FIB加工精度的提升提供了新认知；开发的"中性簇辐照+电子束调控"纳米孔制备方法，克服了传统离子束刻蚀难以获得均一亚5 nm孔隙的难题；所制备的尺寸可控纳米孔在分子分离、DNA测序等纳米流体领域具有应用潜力。研究团队特别指出，该方法无需复杂的光刻或化学处理，通过物理手段即可实现纳米孔阵列的大面积制备，为下一代过滤膜技术开辟了新途径。