Polowy mikroskop jonowy - Field ion microscope

Obraz z polowego mikroskopu jonowego końca ostrej platynowej igły. Każdy jasny punkt to atom platyny.

Mikroskopu jonów pole (FIM) wynalazł Müller w 1951. Jest to rodzaj mikroskopu , który może być stosowany do obrazu układ atomów na powierzchni końcówki ostrza metalowego.

11 października 1955 roku Erwin Müller i jego doktorat. student, Kanwar Bahadur (Pennsylvania State University) zaobserwował pojedyncze atomy wolframu na powierzchni ostro zakończonej końcówki wolframu poprzez schłodzenie jej do 21 K i użycie helu jako gazu obrazującego. Müller i Bahadur byli pierwszymi osobami, które bezpośrednio obserwowały poszczególne atomy.

Wprowadzenie

W FIM ostra (promień końcówki <50 nm) metalowa końcówka jest wytwarzana i umieszczana w komorze o bardzo wysokiej próżni , która jest wypełniona gazem obrazującym, takim jak hel lub neon . Końcówka jest schładzana do temperatur kriogenicznych (20–100 K). Dodatni napięcia od 5 do 10 kilo wolt stosuje się cynk. Atomy gazu zaadsorbowane na końcówce są jonizowane przez silne pole elektryczne w pobliżu końcówki (w ten sposób „jonizacja pola”), stając się dodatnio naładowane i odpychane od końcówki. Krzywizna powierzchni w pobliżu końcówki powoduje naturalne powiększenie - jony są odpychane w kierunku mniej więcej prostopadłym do powierzchni (efekt „rzutowania punktowego”). Detektor jest umieszczony tak, aby zbierać odpychane jony; obraz utworzony ze wszystkich zebranych jonów może mieć rozdzielczość wystarczającą do zobrazowania pojedynczych atomów na powierzchni końcówki.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych mikroskopów, w których rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona długością fali cząstek używanych do obrazowania, FIM jest mikroskopem projekcyjnym o rozdzielczości atomowej i przybliżonym powiększeniu kilku milionów razy.

Projekt, ograniczenia i zastosowania

FIM, podobnie jak mikroskopia emisji pola (FEM), składa się z ostrej końcówki próbki i ekranu fluorescencyjnego (obecnie zastąpionego płytką wielokanałową ) jako kluczowych elementów. Istnieją jednak następujące istotne różnice:

  1. Potencjał końcówki jest pozytywny.
  2. Komora jest wypełniona gazem obrazującym (zwykle He lub Ne przy 10-5 do 10-3 Torr).
  3. Grot jest schładzany do niskich temperatur (~ 20-80K).

Podobnie jak w przypadku MES, natężenie pola na wierzchołku końcówki wynosi zwykle kilka V / Å . Schemat eksperymentu i tworzenie obrazu w FIM przedstawiono na załączonych rysunkach.

Konfiguracja eksperymentalna FIM.
Proces tworzenia obrazu FIM.

W FIM obecność silnego pola jest krytyczna. Atomy gazu obrazującego (He, Ne) w pobliżu końcówki są spolaryzowane przez pole, a ponieważ pole jest niejednorodne, spolaryzowane atomy są przyciągane do powierzchni końcówki. Atomy obrazujące tracą wtedy swoją energię kinetyczną, wykonując serię skoków i dostosowują się do temperatury końcówki. Ostatecznie atomy do obrazowania są jonizowane przez tunelowanie elektronów do powierzchni, a powstałe jony dodatnie są przyspieszane wzdłuż linii pola do ekranu, aby utworzyć bardzo powiększony obraz końcówki próbki.

W FIM jonizacja zachodzi blisko końcówki, gdzie pole jest najsilniejsze. Elektron, który tuneluje od atomu, jest wychwytywany przez końcówkę. Istnieje odległość krytyczna xc, przy której prawdopodobieństwo tunelowania jest maksymalne. Odległość ta wynosi zazwyczaj około 0,4 nm. Bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenna i wysoki kontrast cech w skali atomowej wynika z faktu, że pole elektryczne jest wzmocnione w pobliżu atomów powierzchniowych z powodu wyższej lokalnej krzywizny. Rozdzielczość FIM jest ograniczona przez prędkość termiczną jonu obrazującego. Rozdzielczość rzędu 1Å (rozdzielczość atomowa) można osiągnąć poprzez skuteczne chłodzenie końcówki.

Zastosowanie FIM, podobnie jak MES, jest ograniczone materiałami, które mogą być wytwarzane w kształcie ostrej końcówki, mogą być stosowane w środowisku ultra wysokiej próżni (UHV) i mogą tolerować wysokie pola elektrostatyczne . Z tych powodów metale ogniotrwałe o wysokiej temperaturze topnienia (np. W, Mo, Pt, Ir) są konwencjonalnymi obiektami do eksperymentów FIM. Metalowe końcówki do MES i FIM są przygotowywane poprzez elektropolerowanie (polerowanie elektrochemiczne) cienkich drutów. Jednak te wskazówki zwykle zawierają wiele nierówności . Ostateczna procedura przygotowania polega na usunięciu tych chropowatości in situ przez odparowanie w terenie, po prostu przez podniesienie napięcia końcówki. Odparowanie w polu jest procesem indukowanym przez pole, który obejmuje usuwanie atomów z samej powierzchni przy bardzo wysokich natężeniach pola i zwykle występuje w zakresie 2-5 V / Å. Efektem pola w tym przypadku jest zmniejszenie efektywnej energii wiązania atomu z powierzchnią i w efekcie uzyskanie znacznie zwiększonej szybkości parowania w stosunku do oczekiwanej w tej temperaturze przy zerowych polach. Ten proces jest samoregulujący, ponieważ atomy znajdujące się w pozycjach o wysokiej lokalnej krzywizny, takie jak atomy lub atomy występów, są usuwane w sposób preferencyjny. Końcówki używane w FIM są ostrzejsze (promień końcówki wynosi 100 ~ 300 A) w porównaniu do tych używanych w eksperymentach MES (promień końcówki ~ 1000 A).

FIM został wykorzystany do badania dynamicznego zachowania powierzchni i zachowania adatomów na powierzchniach. Badane problemy obejmują zjawiska adsorpcji - desorpcji , dyfuzję powierzchniową adatomów i skupisk, oddziaływania adatom-adatom, ruch krokowy, równowagowy kształt kryształu itp. Istnieje jednak możliwość wpływu na wyniki ograniczone pole powierzchni (tj. ) oraz przez obecność dużego pola elektrycznego.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne

Dalsza lektura