Автоэмиссионная микроскопия ( МКЭ ) - это аналитический метод, используемый в материаловедении для исследования структуры поверхности молекул и их электронных свойств. [1] Изобретенный Эрвином Вильгельмом Мюллером в 1936 году, МКЭ был одним из первых инструментов анализа поверхности, который приблизился к разрешению, близкому к атомному .
Вступление
Методы микроскопии используются для получения увеличенных изображений поверхности в реальном пространстве, показывающих, как она выглядит. В общем, информация микроскопии касается кристаллографии поверхности (то есть того, как атомы расположены на поверхности), морфологии поверхности (то есть формы и размера топографических элементов, составляющих поверхность) и состава поверхности (элементов и соединений, из которых состоит поверхность). .
Автоэмиссионная микроскопия (FEM) была изобретена Эрвином Мюллером в 1936 году. В FEM явление полевой электронной эмиссии использовалось для получения изображения на детекторе на основе разницы в работе выхода различных кристаллографических плоскостей на поверхности. .
Дизайн
Автоэмиссионный микроскоп состоит из металлического образца в виде острого наконечника и проводящего флуоресцентного экрана, заключенного в сверхвысокий вакуум. Используемый радиус острия обычно составляет порядка 100 нм. Он состоит из металла с высокой температурой плавления , например вольфрама . [2] Образец находится под большим отрицательным потенциалом (1–10 кВ) относительно флуоресцентного экрана. Это дает электрическое поле около вершины иглы порядка 10 10 В / м, что достаточно для того, чтобы имела место автоэлектронная эмиссия .
Электроны, испускаемые полем, перемещаются вдоль силовых линий и создают яркие и темные пятна на флуоресцентном экране, обеспечивая однозначное соответствие с кристаллическими плоскостями полусферического эмиттера. Ток эмиссии сильно зависит от локальной работы выхода в соответствии с уравнением Фаулера – Нордхейма ; следовательно, изображение МКЭ отображает карту проецируемой работы выхода поверхности эмиттера. Плотно упакованные грани имеют более высокую работу выхода, чем атомно-шероховатые области, и поэтому они проявляются на изображении в виде темных пятен на более ярком фоне. Короче говоря, анизотропия работы выхода кристаллических плоскостей отображается на экране как изменения интенсивности.
Увеличение определяется соотношением , где - радиус вершины острия, а расстояние от наконечника до экрана. Достигается линейное увеличение от 10 5 до 10 6 . Пространственное разрешение этого метода составляет порядка 2 нм и ограничивается импульсом испускаемых электронов, параллельным поверхности острия, который имеет порядок фермиевской скорости электрона в металле.
Можно установить МКЭ с отверстием для зонда в люминофорном экране и коллектором в виде чашки Фарадея за ним для сбора тока, излучаемого из одной плоскости. Этот метод позволяет измерять изменение работы выхода с ориентацией для самых разных ориентаций на одном образце. МКЭ также использовался для изучения процессов адсорбции и поверхностной диффузии , используя изменение работы выхода, связанное с процессом адсорбции.
Автоэлектронная эмиссия требует очень хорошего вакуума, и часто даже в сверхвысоком вакууме (UHV) эмиссия происходит не из-за чистой поверхности. Типичный полевой эмиттер необходимо «прошить», чтобы очистить его, обычно пропуская ток через петлю, на которой он установлен. После мигания ток эмиссии высокий, но нестабильный. Ток затухает со временем и в процессе становится более стабильным из-за загрязнения наконечника либо из-за вакуума, либо, чаще, из-за диффузии адсорбированных поверхностных частиц к наконечнику. Таким образом, реальная природа наконечников FEM во время использования в некоторой степени неизвестна.
Применение МКЭ ограничено материалами, которые могут быть изготовлены в форме острого наконечника, могут использоваться в среде сверхвысокого напряжения и могут выдерживать высокие электростатические поля. По этим причинам тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления (например, W, Mo, Pt, Ir) являются обычными объектами для экспериментов МКЭ.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ «Введение в полевую эмиссию» . Лаборатория полевой эмиссии / ионной микроскопии, Университет Пердью, факультет физики. Архивировано из оригинала на 2007-05-03 . Проверено 10 мая 2007 .
- ^ Странкс, DR; М.Л. Хеффернан; KC Lee Dow; PT McTigue; GRA Withers (1970). Химия: структурный взгляд . Карлтон, Виктория : Издательство Мельбурнского университета. п. 5. ISBN 0-522-83988-6.
- 2. К. Оура, В. Г. Лифшиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов, М. Катаяма, Наука о поверхности - Введение (Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003).
- 3. Джон Б. Хадсон, Наука о поверхности - Введение (BUTTERWORTH-Heinemann, 1992).