Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изображение конца острой платиновой иглы, полученное с помощью полевого ионного микроскопа . Каждое яркое пятно - это атом платины.

Ионный микроскоп поля (ФИМЫ) был изобретен Мюллером в 1951 году [1] Это тип микроскопа , который может быть использован для изображения расположения атомов 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]

Введение [ править ]

В FIM создается острый (радиус острия менее 50 нм) металлический наконечник, который помещается в камеру сверхвысокого вакуума , которая заполняется газом для визуализации, таким как гелий или неон . Острие охлаждают до криогенных температур (20–100 К). Положительное напряжение от 5 до 10 кило вольт применяется к наконечнику. Атомы газа, адсорбированные на наконечнике, ионизируются сильным электрическим полем вблизи наконечника (таким образом, «полевая ионизация»), становятся положительно заряженными и отталкиваются от наконечника. Кривизна поверхности около острия вызывает естественное увеличение - ионыотталкиваются в направлении, примерно перпендикулярном поверхности (эффект «точечной проекции»). Детектор расположен 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 [ править ]

FIM, как и полевая эмиссионная микроскопия (FEM), состоит из острого наконечника образца и флуоресцентного экрана (теперь замененного на многоканальную пластину ) в качестве ключевых элементов. Однако есть несколько существенных отличий:

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

Как и в МКЭ, напряженность поля на вершине острия 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 свою кинетическую энергию, совершая серию прыжков и приспосабливаясь к температуре кончика. В конце концов, изображающие атомы ионизируются за счет туннелирования электронов в поверхность, и полученные положительные ионы ускоряются вдоль силовых линий к экрану, чтобы сформировать сильно увеличенное изображение наконечника образца.

В FIM ионизация происходит вблизи острия, где поле наиболее сильное. Электрон, проходящий через атом, улавливается острием. 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 . По этим причинам тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления (например, W, Mo, Pt, Ir) являются обычными объектами для экспериментов FIM. Металлические наконечники для FEM и FIM изготавливаются путем электрополировки (электрохимической полировки) тонких проволок. Однако эти подсказки обычно содержат много неровностей.. Окончательная процедура подготовки включает удаление этих неровностей на месте путем полевого испарения, просто увеличивая напряжение 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 адатомов на поверхностях. Изучаемые проблемы включают в себя адсорбцию - десорбции явление, поверхностная диффузию адатомов и кластеров, адат-адатомы взаимодействия, шаг движение, равновесная кристаллическую форму, и т.д. Однако, есть возможность результатов под воздействием области с ограниченной поверхностью (то есть краевые эффекты ) и наличием большого электрического поля.

См. Также [ править ]

  • Атомный зонд
  • Электронный микроскоп
  • Автоэмиссионная микроскопия
  • Список методов анализа поверхности

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мюллер, Эрвин В. (1951). "Дас Фельдионенмикроскоп". Zeitschrift für Physik . 131 (8): 136–142. Bibcode : 1951ZPhy..131..136M . DOI : 10.1007 / BF01329651 .
  2. ^ Мюллер, Эрвин В .; Бахадур, Канвар (1956). «Полевая ионизация газов на поверхности металла и разрешение полевого ионного микроскопа». Phys. Ред . 102 : 624–631. Bibcode : 1956PhRv..102..624M . DOI : 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.

Внешние ссылки [ править ]

  • Центр атомно-зондовой томографии Северо-Западного университета
  • Фотография кончика вольфрамовой иглы, полученная с помощью FIM на Wayback Machine (архивировано 22 ноября 2013 г.)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Müller, E .; Бахадур, К. (1956). «Полевая ионизация газов на поверхности металла и разрешение полевого ионного микроскопа». Физический обзор . 102 (3): 624. Полномочный код : 1956PhRv..102..624M . DOI : 10.1103 / PhysRev.102.624 .
  • Мюллер, EW (1965). «Полевая ионная микроскопия». Наука . 149 (3684): 591–601. Bibcode : 1965Sci ... 149..591M . DOI : 10.1126 / science.149.3684.591 . JSTOR  1716643 . PMID  17747566 .