Полевая эмиссионная микроскопия
Полевая эмиссионная микроскопия ( FEM ) — это аналитический метод, который используется в материаловедении для изучения поверхностей кончиков игл. [1] [2] FEM был изобретен Эрвином Вильгельмом Мюллером в 1936 году [3] , и это был один из первых инструментов для анализа поверхности, который мог приближаться к разрешению, близкому к атомному .
Введение
Методы микроскопии используются для создания увеличенных изображений поверхности кончика наконечника в реальном пространстве. Обычно информация микроскопии относится к кристаллографии поверхности (т. е. к тому, как атомы расположены на поверхности) и морфологии поверхности (т. е. к форме и размеру топографических особенностей, формирующих поверхность).
Автоэлектронная микроскопия (FEM) была изобретена Эрвином Мюллером в 1936 году. [3] В FEM явление автоэлектронной эмиссии использовалось для получения изображения на детекторе на основе разницы в работе выхода различных кристаллографических плоскостей на поверхности.
Устройство и принцип работы
Микроскоп с полевой эмиссией состоит из металлического образца в форме острого наконечника и флуоресцентного экрана, заключенного в сверхвысоковакуумную камеру. Обычно радиус наконечника, используемого в этом микроскопе, составляет порядка 100 нм, и он изготовлен из металла с высокой температурой плавления , такого как вольфрам . [4] Образец удерживается при большом отрицательном потенциале (1–10 кВ) относительно флуоресцентного экрана, который создает электрическое поле вблизи вершины наконечника величиной 2–7 x 10 9 В/м. Это электрическое поле вызывает полевую эмиссию электронов.
Электроны, испускаемые полем, перемещаются вдоль линий поля и создают яркие и темные пятна на флуоресцентном экране, демонстрируя однозначное соответствие с кристаллическими плоскостями полусферического эмиттера. Ток эмиссии сильно меняется в зависимости от локальной работы выхода , следуя уравнению Фаулера-Нордгейма . Поэтому изображение FEM отражает проецируемую карту работы выхода поверхности эмиттера. Как правило, атомно-шероховатые поверхности имеют более низкие работы выхода, чем плотно упакованные поверхности, что приводит к появлению ярких областей на изображении. Короче говоря, изменения интенсивности экрана соответствуют карте работы выхода поверхности вершины острия.
Увеличение определяется отношением , где - радиус вершины острия, а - расстояние от острия до экрана. Достигается линейное увеличение порядка 10 5 . Метод FEM имеет пространственное разрешение около 1 - 2 нм. [2] Тем не менее, если частица размером 1 нм помещается на вершину острия, увеличение может увеличиться в 20 раз, а пространственное разрешение повышается примерно до 0,3 нм. [5] Такая ситуация может быть достигнута путем использования одномолекулярных электронных эмиттеров, [6] и можно наблюдать молекулярные орбитали в отдельных молекулах фуллерена с помощью FEM. [7]
Применение FEM ограничено материалами, которые могут быть изготовлены в форме острого кончика и могут выдерживать высокие электростатические поля. По этим причинам тугоплавкие металлы с высокими температурами плавления (например, W, Mo, Pt, Ir) являются обычными объектами для экспериментов FEM. Кроме того, FEM также использовался для изучения процессов адсорбции и поверхностной диффузии , используя изменение работы выхода, связанное с процессом адсорбции.
Смотрите также
Ссылки
- ^ "Введение в полевую эмиссию". Лаборатория полевой эмиссии/ионной микроскопии, Университет Пердью, Физический факультет. Архивировано из оригинала 2007-05-03 . Получено 2007-05-10 .
- ^ ab Полевая эмиссия и полевая ионизация.
- ^ аб Мюллер, Эрвин В. (ноябрь 1936 г.). «Die Abhängigkeit der Feldelektronenemission von der Austrittsarbeit». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 102 (11–12): 734–761. дои : 10.1007/BF01338540. ISSN 1434-6001.
- ^ Стрэнкс, DR; ML Хеффернан; KC Ли Доу; PT Мактиг; GRA Уизерс (1970). Химия: Структурный взгляд . Карлтон, Виктория : Издательство Мельбурнского университета. стр. 5. ISBN 0-522-83988-6.
- ^ Роуз, DJ (март 1956 г.). «Об увеличении и разрешении полевого эмиссионного электронного микроскопа». Журнал прикладной физики . 27 (3): 215–220. doi :10.1063/1.1722347. ISSN 0021-8979.
- ^ Янагисава, Хирофуми; Бон, Маркус; Гощин, Флориан; Сейтсонен, Ари П.; Клинг, Маттиас Ф. (17 февраля 2022 г.). «Автоэмиссионный микроскоп для одной молекулы фуллерена». Научные отчеты . 12 (1): 2714. doi : 10.1038/s41598-022-06670-1. ISSN 2045-2322. ПМЦ 8854663 . ПМИД 35177727.
- ^ Янагисава, Хирофуми; Бон, Маркус; Кито-Нишиока, Хиротака; Гошин, Флориан; Клинг, Маттиас Ф. (2023-03-08). "Субнанометрическая модуляция источника электронов, вызванная светом". Physical Review Letters . 130 (10): 106204. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.106204 .
