Автоионная микроскопия. Эмиссионный спектральный анализ. Атомная абсорбционная спектроскопия. Термоэлектронный эмиссионный микроскоп

Лекция 12

АВТОИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Большое значение автоионной микроскопии обусловлено тем,  что с помощью этого метода можно различать отдельные атомы, находящиеся на поверхности твердого образца. Достигаемое при этом увеличение превышает 10⁶.

На рисунке 1 дано схематическое изображение трубки автоионного микроскопа (ионного проектора). Образец представляет собой кусок тонкой проволочки с очень тонким острием на конце, полученным путем электрохимического травления. Обычно радиус закругления острия составляет 100 А. Образец монтируетсяся в держателе между двумя электродами, впаянными в трубку, и располагается в нескольких сантиметрах от флуоресцирующего экрана. Держатель вместе с образцом служит анодом.

Для того чтобы получить изображение, из пространства между образцом и экраном откачивается воздух и на образец, охлажденный до очень низкой температуры, подается положительный по отношению к флуоресцирующему экрану потенциал. Формирующий изображение газ (обычно гелий) напускается в систему до давления в несколько мм рт. ст. Благодаря очень сильному электрическому полю, возникающему в непосредственной близости от острия образца, изображающий газ ионизуется, образовавшиеся положительные ионы отталкиваются от образца и далее летят прямолинейно, при ударе о флуоресцирующий экран эти ионы образуют спроектированное изображение локальных флуктуаций поля, существующих на поверхности образца.

                                     Положительный

                                      высоковольтный

                                          потенциал

                      Отрицательный

                      высоковольтный

                           потенциал

Рис. 1 - Схема трубки автоионного микроскопа; 1— жидкий азот; 2 — стеклянная трубка, 3 — флуоресцирующий экран.

Прежде чем подробно разбирать процесс формирования изображения, необходимо детально рассмотреть атомную структуру поверхности образца. Строение этой поверхности можно легко представить себе, проводя, например, аналогию с полусферой радиусом около 3 м, построенной из уложенных правильными слоями детских кубиков с ребром ~5 см. Созданная таким обра­зом полусфера не является идеально гладкой, а состоит из пло­ских граней, выступов и ступенек. На такой модели отчетливо обнаруживаются плоские грани (которые фактически являются плоскостями с малыми ин­дексами Миллера), выступы и ступеньки, образующиеся при по­строении полусфер из шариков с радиусом, что-нибудь на один или три порядка величины меньшим, чем радиус кривизны полу­сферы. Такая модель дает хорошее представление о поверхности острия, так как атомные радиусы составляют 1 А, а радиусы острия используемых обычно образцов меняются от 50 до 1000 А.

Процессы, приводящие к формированию изображения схематически показаны на рис.2. В сильном поле, су­ществующем вблизи острия, атом изображающего газа поляризуется, притягивается к острию и взаимодействует с поверхностью острия.

Рис. 2. Столкновение молекул изображающего газа с поверхностью метал                              ла; 1 — поляризованный атом газа; 2 — ионизация в поле высокого потенциала, 3 — пучки эмиттированных ионов.

В этом столкновении атом может потерять доста­точное количество энергии для того, чтобы оказаться захвачен­ным областью вблизи поверхности острия. Если это произойдет, он будет прыгать по поверхности металла, теряя энергию при каждом отскоке.

В результате соударений с поверхностью захваченные атомы изображающего газа приобретают температуру острия. При медленном пролете атома через какую-либо из областей сильного поля, имеющихся над поверхностью образца, есть заметная ве­роятность того, что электрон атома изображающего газа туннелирует (то есть будет захвачен металлом путем туннельного перехода через потенциальный барьер атома)  в металл, и атом окажется ионизованным.

Такие области сильного поля существуют только около выступающих над поверхностью атомов (т. е. атомов, расположенных на ребрах сту­пенек), так что пучок ионов, летящих от эмиттера (острия), со­стоит из набора дискретных тонких пучков, соответствующих атомным выступам на поверхности образца.

Если давление изображающего газа невелико, рассеяние ле­тящих от острия ионов пренебрежимо мало, и разрешение деталей на изображении зависит от расширения тонких пучков из-за наличия поперечных компонент скорости атомов в момент их ионизации, а также от размера атомов изображающего газа. Это расширение можно сделать малым, используя автоионный микро­скоп с образцом, охлажденным до температуры жидкого азота или ниже. Тогда траектории ионов будут приблизительно перпенди­кулярны поверхности образца. В таком микроскопе вполне до­стижимо разрешение 2—3 А.

Достигаемое увеличение приблизительно равно отношению расстояния от острия до экрана к радиусу кривизны острия и обычно составляет 10⁶. Это большое увеличение делает автоионный микроскоп уникальным при­бором.