Полевой ионный микроскоп - Field ion microscope

Полевой ионный микроскоп изображение конца резкого платина иголка. Каждое яркое пятно - это атом платины.

В Полевой ионный микроскоп (FIM) был изобретен Мюллер в 1951 г.[1] Это тип микроскоп которые можно использовать для изображения расположения атомы на поверхности острого металлического наконечника.

11 октября 1955 года Эрвин Мюллер и его доктор философии. Студент Канвар Бахадур (Университет штата Пенсильвания) наблюдал отдельные атомы вольфрама на поверхности заостренного вольфрамового наконечника, охлаждая его до 21 К и используя гелий в качестве газа для визуализации. Мюллер и Бахадур были первыми, кто непосредственно наблюдал отдельные атомы.[2]

Вступление

В FIM острый (радиус острия <50 нм) металлический наконечник изготавливается и помещается в сверхвысокий вакуум камеру, заполненную газом для визуализации, например гелий или же неон. Острие охлаждают до криогенных температур (20–100 К). Положительный Напряжение от 5 до 10 кгвольт наносится на наконечник. Атомы газа адсорбированный на кончике ионизируются сильным электрическое поле вблизи наконечника (таким образом, «полевая ионизация»), становится положительно заряженным и отталкивается от наконечника. Кривизна поверхности возле наконечника вызывает естественное увеличение - ионы отталкиваются в направлении, примерно перпендикулярном поверхности (эффект «точечной проекции»). Детектор размещен так, чтобы собирать эти отталкиваемые ионы; изображение, сформированное из всех собранных ионов, может иметь достаточное разрешение для изображения отдельных атомов на поверхности наконечника.

В отличие от обычных микроскопов, где пространственное разрешение ограничено длиной волны частиц, которые используются для визуализации, FIM представляет собой микроскоп проекционного типа с атомным разрешением и приблизительным увеличением в несколько миллионов раз.

Дизайн, ограничения и приложения

FIM нравится Полевая эмиссионная микроскопия (FEM) состоит из острого наконечника образца и флуоресцентного экрана (теперь замененного на многоканальная пластина ) в качестве ключевых элементов. Однако есть несколько существенных отличий:

  1. Потенциал наконечника положительный.
  2. Камера заполнена изображающим газом (обычно He или Ne при 10−5 до 10−3 Торр).
  3. Наконечник охлаждается до низких температур (~ 20-80К).

Как и в МКЭ, напряженность поля на вершине наконечника обычно составляет несколько В /Å. Экспериментальная установка и формирование изображения в FIM показаны на прилагаемых рисунках.

Экспериментальная установка FIM.
Процесс формирования изображения FIM.

В FIM критично наличие сильного поля. Атомы изображающего газа (He, Ne) около иглы поляризованы полем, и, поскольку поле неоднородно, поляризованные атомы притягиваются к поверхности иглы. Затем изображающие атомы теряют свое кинетическая энергия выполнить серию охмелений и приспособиться к температуре кончика. В конце концов, изображающие атомы ионизируются за счет туннелирования электронов в поверхность, и полученные положительные ионы ускоряются вдоль полевые линии на экран, чтобы сформировать сильно увеличенное изображение наконечника образца.

В FIM ионизация происходит рядом с вершиной, где поле наиболее сильное. Электрон, проходящий через атом, улавливается наконечником. Существует критическое расстояние xc, на котором вероятность туннелирования максимальна. Это расстояние обычно составляет около 0,4 нм. Очень высокое пространственное разрешение и высокий контраст для деталей в атомном масштабе обусловлены тем фактом, что электрическое поле усиливается вблизи поверхностных атомов из-за более высокой локальной кривизны. Разрешение FIM ограничено тепловой скоростью изображающего иона. Разрешение порядка 1 Å (атомное разрешение) может быть достигнуто за счет эффективного охлаждения иглы.

Применение FIM, как и FEM, ограничено материалами, которые могут быть изготовлены в форме острого наконечника, могут использоваться в среде сверхвысокого вакуума (UHV) и могут выдерживать высокие электростатические поля. Поэтому, тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления (например, W, Mo, Pt, Ir) являются обычными объектами для экспериментов FIM. Металлические наконечники для FEM и FIM изготавливаются электрополировка (электрохимическая полировка) тонких проволок. Однако эти советы обычно содержат много неровности. Окончательная процедура подготовки включает удаление этих неровностей на месте путем полевого испарения путем увеличения напряжения на наконечнике. Полевое испарение - это индуцированный полем процесс, который включает удаление атомов с самой поверхности при очень высокой напряженности поля и обычно происходит в диапазоне 2-5 В / Å. Влияние поля в этом случае заключается в уменьшении эффективной энергии связи атома с поверхностью и, в сущности, в значительном увеличении скорости испарения по сравнению с ожидаемой при этой температуре при нулевых полях. Этот процесс является саморегулирующимся, поскольку атомы, которые находятся в положениях с высокой локальной кривизной, такие как адатомы или выступающие атомы, предпочтительно удаляются. Наконечники, используемые в FIM, более острые (радиус наконечника составляет 100 ~ 300 Å) по сравнению с наконечниками, используемыми в экспериментах FEM (радиус наконечника ~ 1000 Å).

FIM использовался для изучения динамического поведения поверхностей и поведения адатомы на поверхностях. Изученные проблемы включают адсорбция -десорбция явления поверхностная диффузия адатомов и кластеров, взаимодействия адатомов с адатомами, ступенчатого движения, равновесной формы кристалла и т. д. Однако существует вероятность того, что на результаты повлияет ограниченная площадь поверхности (то есть краевые эффекты) и наличие большого электрического поля.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мюллер, Эрвин В. (1951). "Дас Фельдионенмикроскоп". Zeitschrift für Physik. 131 (8): 136–142. Bibcode:1951ZPhy..131..136M. Дои:10.1007 / BF01329651.
  2. ^ Мюллер, Эрвин В .; Бахадур, Канвар (1956). «Полевая ионизация газов на поверхности металла и разрешение полевого ионного микроскопа». Phys. Rev. 102: 624–631. Bibcode:1956ПхРв..102..624М. Дои:10.1103 / Physrev.102.624.
  • К. Оура, В. Г. Лифшиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов, М. Катаяма, Наука о поверхности - Введение (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003).
  • Джон Б. Хадсон, Наука о поверхности - Введение, BUTTERWORTH-Heinemann, 1992.

внешняя ссылка

дальнейшее чтение