Получение эмиссионного изображения W-кристалла в полевом эмиссионном микроскопе

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ»

Отчёт

По лабораторной работе

«Получение эмиссионного изображения W-кристалла в полевом эмиссионном микроскопе»

Выполнила: Соболева Е.Ю.

Группа: Фт-45051.

Проверил: Некрасов И.А.

Екатеринбург, 2008

Цель работы: получить эмиссионное изображение кристалла вольфрама и провести индексацию граней.

Полевой эмиссионный микроскоп (field emission microscopy) представляет собой прибор, позволяющий наблюдать и исследовать поверхность атомно-чистого образца с высоким разрешением.

Принцип действия и устройство прибора.

Принцип действия полевого эмиссионного микроскопа основан на проективном характере получения электронного изображения поверхности образца и определяется конструкцией прибора.

рис.1.

4.Колба полевого эмиссионного микроскопа. 5.Катод-острие (образец). 3.Экран (светосостав типа К-11). 4.Проводящий слой (SnCl₂), соединение с анодом (6). 9.Геттер (Mo, Ti). 8.Анод (Мо впаян в колбу микроскопа)

Схема электрического питания полевого эмиссионного микроскопа.

Рис.2.

Полевой эмиссионный микроскоп (field emission microscope) представляет собой прибор, позволяющий детально рассматривать поверхность металла или полупроводника в масштабе, близком к области атомных размеров и визуально наблюдать поверхностные процессы в пределах  моноатомного слоя. В лучших конструкциях прибор позволяет получить разрешения порядка 20, дает изображение объекта с полезным увеличением в миллионы раз и позволяет получить информацию о чистоте исследуемой поверхности.

В полевом эмиссионном микроскопе получаются большие увеличения исследуемого объекта вследствие радиального движения эмитируемых электронов от поверхности. Это один из лучших по разрешению эмиссионных микроскопов, т.к. в этом приборе отсутствует система линз, в значительной мере ухудшающая разрешение.

Катодом прибора служит металлическое (или иное проводящее) острие с радиусом кривизны 1000-3000 , эмитирующее электроны под влиянием высокой напряженности электрического поля, создаваемого между острием и экраном.

Острие-катод помещается в центре сферической или конической (R»10 см) колбы, в которой создано давление 10^-9-10^{-10 мм рт.ст.}

Анодом прибора является прозрачный слой распыленного SuCl₂, который с помощью коллоидного углерода (аквадага) электрически соединен с впаянным Мо-вводом в колбу микроскопа. На проводящее покрытие нанесен тонкий слой светосостава (типа К-11), являющегося экраном, светящимся под действием падающих электронов.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение в несколько киловольт. При этом у поверхности острия возникает напряженность электрического поля, определяемая

где k- фактор формы (обычно k»3-5) и зависит от угла конуса острия.

Поскольку электроны, вылетающие с острия (часть острия, с которой вылетают электроны, принимается за сферическую), следуют по силовым линиям радиально от острия к экрану, то изображение увеличивается в

Несмотря на весьма высокое разрешение, полевой эмиссионный микроскоп несвободен от факторов, снижающих разрешение.

Наименьшее расстояние между двумя точками объекта, которые изображаются на экране раздельно, называется разрешаемым расстоянием.

Величина, обратная разрешаемому расстоянию, называется разрешающей способностью микроскопа.

В оптическом микроскопе достигнуто разрешаемое расстояние 2000, в полевом эмиссионном микроскопе - 20.

В полевом эмиссионном микроскопе разрешение зависит от двух факторов:

1.от наличия тангенциальной составляющей скорости электронов, с которой они покидают образец-острие;

2.от явления дифракции электронов.

Теория формирования полевого эмиссионного изображения.

По современным представлениям на границе металл-вакуум создается двойной электрический слой. Возникновение двойного электрического слоя приписывается следующему механизму.

Согласно теории твердого тела вокруг ядра атома в металле образуется электронное облако. Внутри металла центр тяжести электрического облака совпадает с ядром атома. Если атом находится на границе, то электронное облако оказывается вне металла на величину разности радиусов атома в газообразном состоянии и внутри металла. Центр тяжести электронного облака сместится относительно ядра и на поверхности возникнет дипольный момент p.

У поверхности металла образуется двойной электрический слой с моментом p×N, где N-число атомов на единицу поверхности.

Скачок потенциала при переходе через двойной слой будет равен 4ppN, а работа, которую совершает вылетевший из металла электрон при прохождении двойного слоя,

φ=4pеpN.