Microscopia cu ioni în câmp pentru studiul solidelor

(Imagine microscopică cu ioni în câmp de la capătul unui ac platinic ascuțit. Fiecare spot luminos este un atom de platină.)

Microscopul cu ioni în camp (MIC) a fost inventat de Müller în 1951. Este un tip de microscop care poate fi folosit pentru a imagina dispunerea atomilor la suprafața unui vârf de metal ascuțit.

Pe 11 octombrie 1955, Erwin Müller și doctorandul său, studentul, Kanwar Bahadur (Universitatea de Stat din Pennsylvania), a observat atomii individuali de tungsten pe suprafața vârfului de tungsten puternic ars, prin răcirea acestuia la 21 K și prin utilizarea heliului ca gaz de imagistică. Müller & Bahadur au fost primele persoane care au observat direct atomii individuali.

Introducere

În MIC, se folosește o vârf de metal ascuțit (<50 nm) care se plasează într-o cameră de vid extrem de mare, umplută cu un gaz de imagistică, cum ar fi heliu sau neon. Vârful este răcit la temperaturi criogenice (20-100 K). O tensiune pozitivă de 5 până la 10 kilovolți se aplică vârfului. Atomii de gaz adsorbiți pe vârf sunt ionizați de câmpul electric puternic din vecinătatea vârfului („ionizarea în câmp”), devenind încărcați pozitiv și fiind respinși de vârf. Curbura suprafeței din apropierea vârfului provoacă o mărire naturală – ionii sunt respinși într-o direcție aproximativ perpendiculară pe suprafață (un efect de „proiecție punctuală”). Un detector este plasat astfel încât să colecteze acești ioni respinși; imaginea formată din toți ionii colectați poate avea o rezoluție suficientă pentru a imagina atomii individuali de pe suprafața vârfului.

Spre deosebire de microscoapele convenționale, unde rezoluția spațială este limitată de lungimea de undă a particulelor care sunt utilizate pentru imagistică, MIC este un microscop de tip proiecție cu rezoluție atomică și o mărire aproximativă de câteva milioane de ori.

Design, limitări și aplicații

MIC, ca și microscopia emisiilor de câmp (MEC), constă dintr-un vârf ascuțit de probă și un ecran fluorescent (acum înlocuit cu o placă multi-canal) ca elemente-cheie. Cu toate acestea, există unele diferențe esențiale după cum urmează:

1. Potențialul vârfului este pozitiv.
2. Camera este umplută cu un gaz de imagistică (în mod obișnuit, He sau Ne la 10^-5 până la 10^-3 Torr).
3. Vârful este răcit la temperaturi scăzute (~ 20-80K).

La fel ca MEC, intensitatea câmpului la vârf este de obicei de câțiva V/Å. Setarea experimentală și formarea imaginii în MIC sunt ilustrate în figuri.

(Setarea experimentală MIC.)

(Proces de formare a imaginii MIC.)

În MIC, prezența unui câmp puternic este critică. Atomii de gaze de imagistică (He, Ne) în apropierea vârfului sunt polarizați de câmp și deoarece câmpul este neuniform, atomii polarizați sunt atrași spre suprafața vârfului. Atomii de imagistică își pierd apoi energia cinetică efectuând o serie de salturi și se adaptează la temperatura vârfului. În cele din urmă, atomii de imagistică sunt ionizați prin electroni de tunel în suprafață și ionii pozitivi care rezultă sunt accelerați de-a lungul liniilor de câmp către ecran pentru a forma o imagine foarte mărită a vârfului eșantionului.

În MIC, ionizarea are loc aproape de vârful unde câmpul este cel mai puternic. Electronul care tunelează de la atom este luat de vârf. Există o distanță critică, xc, la care probabilitatea de tunel este maximă. Această distanță este de obicei de aproximativ 0,4 nm. Rezoluția spațială foarte ridicată și contrastul ridicat pentru caracteristicile de pe scara atomică rezultă din faptul că câmpul electric este intensificat în vecinătatea atomilor de suprafață datorită curbei locale mai mari. Rezoluția MIC este limitată de viteza termică a ionului de imagistică. Rezolvarea ordinii de 1A (rezoluție atomică) poate fi obținută prin răcirea eficientă a vârfului.

Folosirea lui MIC, cum ar fi MEC, este limitată de materialele care pot fi fabricate în formă de vârf ascuțit, pot fi utilizate într-un mediu vacuum ultra-înalt, și pot tolera câmpurile electrostatice înalte. Din aceste motive, metalele refractare cu temperaturi ridicate de topire (de exemplu W, Mo, Pt, Ir) sunt obiecte obișnuite pentru experimentele MIC. Vârfurile metalice pentru MEC și MIC sunt pregătite prin electroliza (lustruirea electrochimică) a firelor subțiri. Cu toate acestea, aceste vârfuri conțin, de obicei, multe asperități. Procedura de preparare finală implică îndepărtarea in situ a acestor asperități prin evaporare în câmp doar prin creșterea tensiunii vârfului. Evaporarea în câmp este un procedeu indus de câmp care implică îndepărtarea atomilor de la suprafața însăși la intensități foarte mari ale câmpului și care are loc în mod obișnuit în domeniul 2-5 V/Å. Efectul câmpului în acest caz este de a reduce energia de legare eficientă a atomului la suprafață și de a da, de fapt, o rată de evaporare mult mai mare comparativ cu cea așteptată la acea temperatură la câmpuri zero. Acest proces se autoreglează, deoarece atomii aflați în poziții de înaltă curbură locală, cum ar fi adatomii sau atomii de la margine, sunt îndepărtați preferențial. Vârfurile folosite în MIC sunt mai ascuțite (raza vârfului este de 100 ~ 300 Å) comparativ cu cele utilizate în experimentele MEC (raza vârfului ~ 1000 Å).

MIC a fost folosit pentru a studia comportamentul dinamic al suprafețelor și comportamentul adatomilor pe suprafețe. Problemele studiate includ fenomenul adsorbție-desorbție, difuzia de suprafață a adatomilor și grupurilor, interacțiunile adatom-adatom, forma cristalului de echilibru etc. Cu toate acestea, există posibilitatea ca rezultatele să fie afectate de suprafața limitată (efecte de margine) și de prezența câmpului electric mare.