引言

在科学研究中，许多关键问题的答案藏在肉眼完全看不见的纳米世界里—比如材料内部的原子排列、细胞内部的超微结构，或是新材料的断裂面如何形成？“如何看清、摸到甚至修复这些比病毒还小的结构？解决科学研究“看不见、摸不着、测不了”的困境。这时候，聚焦离子束（FIB）技术就像给研究人员配备了一套 “纳米手术刀+电子显微镜+3D打印机” 的超能力工具包，助力科学研究不断取得新进展。该技术是利用电磁透镜将高能离子束聚焦到纳米尺度，轰击材料表面，实现对材料的精确剥离、沉积、切割和改性。结合扫描电镜的成像功能及附件EBSD、EDS等分析功能进行实时观察成像和成分、织构分析，实现材料内部结构的观察分析、材料的微纳加工和改性等。

从给材料做纳米级的“CT扫描”：重建癌细胞内部的3D结构，到为原子级观察制备完美TEM样品：实现直接观测原子级缺陷。从纳米尺度修复“微观故障”：离子束精准实现半导体芯片修复，到创造“定制化微观世界”：在石墨烯上雕刻量子点阵列，聚焦离子束技术为多领域研究提供了高效有力的分析手段。

应用案例一

FIB技术助力电场诱导的纤锌矿铁电体ScGaN中域壁的原子结构和电子特性分析

本项研究中利用FIB技术制备了用于透射电镜观察的超薄横截面样品，结合球差校正透射电镜在STEM模式下提供了原子尺度的金属/ScGaN/GaN横截面的高分辨HAADF图像, iDPC图像和元素面分布图，为结构解析提供了直接的原子结构信息。

该研究中，通过STEM成像和密度泛函理论（DFT）计算相结合，揭示了一个带有弯曲二维六边形相的充电域壁。这种域壁结构在禁带内产生了前所未有的中间态。研究还发现，在180°域壁处的极化不连续性由未键合的价电子进行补偿，从而稳定了反极化域壁。同时这些域壁具有可重构导电性，证实了其在超小型器件应用中的潜力。这项研究标志着在理解纤锌矿铁电体的开关机制和域壁能量学方面的重大进展，为设计下一代氮化物域壁基础的纳米器件开辟了新的途径。

参考文献：Nature,2025,64,8061.

DOI:10.1038/s41586-025-08812-7

应用案例二

FIB技术加工微纳米柱结合原位电镜研究高熵合金纳米柱，实现室温超110%均匀延伸性。

 纳米尺度小体积金属材料通常表现出高强度，但由于不理想的早期失效往往缺乏拉伸延展性。本研究中，利用FIB技术及EBSD实现特定取向加工纳米柱并结合原位透射电镜，报道了在具有明确几何形状的单晶<110>取向CoCrFeNi高熵合金纳米柱中，实现了高拉伸流动应力下超过100%的室温拉伸延伸性。通过结合高分辨率电子显微技术和大规模原子模拟，揭示了这种超高均匀拉伸延展性源于变形孪生与位错滑移的空间协同协调作用，这种机制有效促进了变形离域化并延迟了颈缩失效。研究结果暗示多组元特性为原子尺度调控成分异质性提供了广阔可能性，并为理解独特变形机制和材料性能提供了基础性认知框架。

参考文献：Nature Communications,2023,14,7469.

DOI:10.1038/s41467-023-42894-z

应用案例三

冷冻FIB技术，助力copia逆转录转座子的细胞内结构及组织原位观测。

冷冻聚焦离子束（Cryo-FIB）技术是一种结合了低温样品制备和聚焦离子束加工的先进技术，主要用于生物样品、软材料及不耐电子束辐照     材料的高分辨率显微（三维）结构研究。冷冻聚焦离子束技术的核心优势在于 “原生状态+纳米精度”，使其成为生命科学原位结构研究和敏感材料表征的不可替代工具。

长末端重复序列（LTR）逆转录转座子属于可自主复制的遗传转座元件（TEs），能够整合到宿主基因组。在动物研究中，黑腹果蝇作为TE研究的重要模式生物，其体内存在包括Ty1-copia家族在内的多种LTR逆转录转座子—该家族与逆转录病毒存在进化关联，并可形成类病毒颗粒（VLPs）。本研究采用冷冻聚焦离子束（FIB）铣削与提取技术对卵巢细胞及完整卵室中的copia类病毒颗粒进行原位观测，通过冷冻电子断层扫描将copia衣壳结构分辨率提升至7.7埃。研究发现，虽然细胞质中的copia类病毒颗粒尺寸各异，但核内颗粒却呈现均一性并形成致密簇群，这一现象支持"核输入机制充当尺寸选择器"的理论模型。在缺乏抑制转座子的piRNA通路的果蝇实验中，作者观察到copia在精子发生过程中向细胞核的转位现象。这些发现为理解活性LTR逆转录转座子的复制周期及细胞结构生物学提供了新见解。

参考文献：Cell,2025,188(8)：2094-2110.

DOI:10.1016/j.cell.2025.02.003

天津大学大型仪器平台

电镜中心配套设备

聚焦离子束-电子束双束电镜

生产商：Thermo fisher

型号：Helios 5UX

技术指标：

1.离子束系统

（1）离子源种类：液态Ga离子源；

（2）束交叉点分辨率：4.0 nm@30 kV（多边法）；

（3）加速电压：500 V-30 kV；

（4）束流强度：1pA-65 nA；

（5）配备Pt、C、W三路沉积气体，可在离子束、电子束诱导下进行Pt、C、W等的沉积。

2. 电子束系统

（1）电子枪类型：带有单色器的肖特基场发射灯丝；

（2）分辨率：在最佳工作距离：0.6 nm@15 kV，0.7 nm@1 kV；

在束交叉点：0.6 nm@15 kV，1.2 nm@1 kV；

（3）加速电压：350 V-30 kV（连续可调）；

（4）束流强度：0.8 pA-100 nA。

功能特色

1. 用于高分辨率透射电镜样品、原位电镜样品及原子探针断层扫描（APT）样品制备，可实现自动化、高质量、定点、超薄样品制备；

2. 自动切片与成像，可进行三维图像重构，配合能谱仪和电子背散射衍射仪可进行成分和织构的三维重构；

3. 多层纳米结构图形生成及加工功能，可实现复杂结构的精确加工；

4. 多达6个集成化镜筒内及透镜下探测器，可获得亚纳米分辨率图像，提供最完整的样品信息；

5. 配备170 mm²高速能谱仪和高精度、高速率的EBSD，可实现快速成分和织构分析；

6. 配备冷冻样品台和冷冻机械手，可实现低温样品制备。

样品及预约要求     

本电镜不接受磁性、腐蚀性、易挥发性样品。用于TEM制样的样品，通常要求块体尺寸（长、宽、高）均小于1cm；EBSD/TKD样品测试，要求样品表面平整光滑、清洁、无划痕、无残余应。有特殊制样/测试需求的请提前联系设备管理员，沟通后再预约。

更多定制方案详询：代老师 18092532753

预约请登录http://yiqi.tju.edu.cn（天津大学大型仪器管理平台）

实验室地点

天津大学北洋园校区58教大型仪器平台地下一层电镜中心B124

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