Полевая эмиссионная микроскопия

Принцип полевой электронной микроскопии состоит в том, что если на пути электронного пучка, полученного путем автоэлектронной эмиссии с тонко­го металлического острия катода, поставить на макроскопическом расстоянии флуоресцентный эк­ран — анод, то на нем электрон­ные лучи сформируют проекцию вершины острия.

Прибор, с помощью которого можно реализовать принцип поле­вой микроскопии, называется электронным проектором или автоэлектронным микроскопом. Автоэлектронный микроскоп пред­ставляет собой безлинзовый элек­тронно-оптический прибор для получения изображения поверх­ности твердого тела с увеличени­ем до 10 ⁶ раз (рис. 1.23).

Рис.1.23. Схема автоэлектронного микроскопа.

Катод из металла формируется в виде острия, радиус кривизны которого достигает r ~ 0,01 мкм - 0,1 мкм. Катод помещается в центре сферической колбы, дно которой покрыто слоем люминофора. Анод представляет собой проводящее покрытие на стенках и дне колбы. В колбе создается вакуум 10 ^-9 мм рт. ст. – 10 ^-10 мм рт. ст. Когда на анод по­дается положительное напряжение в несколько киловольт, на кон­чике автоэлектронного катода напряженность электрического поля достигает 107 В/см – 10 ⁸ В/см, что приводит к автоэмиссии электронов. Эмитированные электроны движутся по радиальным траекториям и на флуоресцирующем экране-аноде формируют увеличенное контрастное изображение поверхности катода. По существу получа­ется изображение кристаллической структуры острия с адсорбиро­ванными на нем атомами (рис. 1,24).

Коэффициент увеличения М выражается следующей зависимостью: М = R/(j∙r) = 10⁵ - 10⁶, где j — коэффициент сжатия (1,5 < j < 2),

r — радиус острия автокатода, R — расстояние катод-анод.

Автоэлектронное изображение вольфрамового острия представле­но на рис. 1.24а. С помощью рентгенеструктурного анализа можно расшифровать плоскости кристалла: плотноупакованная грань — (001), грань типа (112), грань куба (100) и т.д.

Автоэлехтронный микроскоп обладает рядом недостатков, свя­занных прежде всего с низкой разрешающей способностью.

Была предложена конструкция автоионного микроскопа, в неко­тором смысле повторяющая конструкцию автоэлектрон ного микро­скопа. На острие подается положительный потенциал. В вакуумную систему напускается инертный газ, который в результате ионизиру­ется в сильном электрическом поле у поверхности острия. Электро­ны стремятся к острию, а возникшие положительные ионы приобре­тают под действием радиального электрического поля ускорение (рис. 1.246).

Вблизи острия электрическое поле неоднородно: над ступенька­ми кристаллической решетки или отдельными выступающими ато­мами его локальная напряженность увеличивается. Именно на та­ких участках увеличивается вероятность ионизации и соответствен­но больше образуется количество ионов на единицу времени (рис. 1.25а).

Рис. 1.25. Полевая ионизация атома гелия вблизи острия (а), ионно-полевое изображение платинного острия с радиусом ~150 нм (б).

На флуоресцентном экране эти участки отображаются в виде яр­ких точек. Для увеличения разрешающей способности ионного по­левого микроскопа острие стараются охладить до 4 ^о К - 78 ^о К. Обычное разрешение полевого микроскопа составляет 20 Ангстрем. В отдельных слу­чаях удалось достигнуть разрешения до Ангстрем. Это означает, что удалось наблюдать изображение двух- трех атомов.

Электронные и ионные проекторы применяются для определения работы выхода с разных границ монокристалла, наблюдения фазо­вых превращений, изучения адсорбции и поверхностной диффузии атомов.

Методами полевой эмиссионной микроскопии можно исследовать потенциалы межатомного взаимодействия, электронные свойства по­верхностных нанообъектов, полевое испарение при критических тем­пературах. Сочетание ионного проектора с масс-спектрометром, реги­стрирующим отдельные ионы, привело к изобретению атомного зонда.

Разрешающая способность микроскопа практически не зависит от температуры образца. Это обстоятельство позволяет исследовать процессы высокотемпературных фазовых превращений. Автоэлектронный микроскоп используется для изучения влияния адсорбции различных веществ на поверхности образца на величину работы вы­хода электронов.