Автоионный микроскоп (ПИМ) был изобретен Мюллером в 1951 году. [1] Это тип микроскопа , который можно использовать для получения изображения расположения атомов на поверхности острого металлического наконечника.
11 октября 1955 года Эрвин Мюллер и его аспирант Канвар Бахадур (Университет штата Пенсильвания) наблюдали отдельные атомы вольфрама на поверхности остроконечного вольфрамового наконечника, охлаждая его до 21 К и используя гелий в качестве газа для визуализации. Мюллер и Бахадур были первыми, кто наблюдал отдельные атомы напрямую. [2]
В FIM острый (радиус кончика <50 нм) металлический наконечник изготавливается и помещается в камеру сверхвысокого вакуума , которая заполняется визуализирующим газом, таким как гелий или неон . Наконечник охлаждается до криогенных температур (20–100 К). К наконечнику прикладывается положительное напряжение от 5 до 10 киловольт . Атомы газа , адсорбированные на наконечнике, ионизируются сильным электрическим полем вблизи наконечника (таким образом, «полевая ионизация»), становясь положительно заряженными и отталкиваясь от наконечника. Кривизна поверхности вблизи наконечника вызывает естественное увеличение — ионы отталкиваются в направлении, примерно перпендикулярном поверхности (эффект «точечной проекции»). Детектор размещается таким образом, чтобы собирать эти оттолкнутые ионы; изображение, сформированное из всех собранных ионов, может иметь достаточное разрешение для отображения отдельных атомов на поверхности наконечника.
В отличие от обычных микроскопов, где пространственное разрешение ограничено длиной волны частиц, используемых для получения изображений, FIM представляет собой микроскоп проекционного типа с атомным разрешением и приблизительным увеличением в несколько миллионов раз.
FIM, как и полевая эмиссионная микроскопия (FEM), состоит из острого образца и флуоресцентного экрана (теперь замененного многоканальной пластиной ) в качестве ключевых элементов. Однако есть некоторые существенные различия, как следует ниже:
Как и в FEM, напряженность поля на вершине острия обычно составляет несколько В/ Å . Экспериментальная установка и формирование изображения в FIM проиллюстрированы на прилагаемых рисунках.
В FIM наличие сильного поля имеет решающее значение. Атомы газа изображения (He, Ne) вблизи наконечника поляризуются полем, и поскольку поле неоднородно, поляризованные атомы притягиваются к поверхности наконечника. Затем атомы изображения теряют свою кинетическую энергию, совершая серию прыжков и приспосабливаясь к температуре наконечника. В конечном итоге атомы изображения ионизируются путем туннелирования электронов в поверхность, и полученные положительные ионы ускоряются вдоль линий поля к экрану, формируя сильно увеличенное изображение наконечника образца.
В FIM ионизация происходит вблизи наконечника, где поле наиболее сильное. Электрон, который туннелирует из атома, подхватывается наконечником. Существует критическое расстояние xc, на котором вероятность туннелирования максимальна. Это расстояние обычно составляет около 0,4 нм. Очень высокое пространственное разрешение и высокая контрастность для деталей в атомном масштабе возникают из-за того, что электрическое поле усиливается вблизи атомов поверхности из-за более высокой локальной кривизны. Разрешение FIM ограничено тепловой скоростью иона изображения. Разрешение порядка 1Å (атомное разрешение) может быть достигнуто за счет эффективного охлаждения наконечника.
Применение FIM, как и FEM, ограничено материалами, которые могут быть изготовлены в форме острого наконечника, могут использоваться в среде сверхвысокого вакуума (UHV) и могут выдерживать высокие электростатические поля . По этим причинам тугоплавкие металлы с высокой температурой плавления (например, W, Mo, Pt, Ir) являются обычными объектами для экспериментов FIM. Металлические наконечники для FEM и FIM готовятся путем электрополировки (электрохимической полировки) тонких проволок. Однако эти наконечники обычно содержат много неровностей . Окончательная процедура подготовки включает удаление этих неровностей in situ путем испарения поля просто путем повышения напряжения на наконечнике. Испарение поля представляет собой процесс, вызванный полем, который включает удаление атомов с самой поверхности при очень высокой напряженности поля и обычно происходит в диапазоне 2-5 В/Å. Эффект поля в этом случае заключается в снижении эффективной энергии связи атома с поверхностью и в обеспечении, по сути, значительно увеличенной скорости испарения по сравнению с ожидаемой при этой температуре в нулевых полях. Этот процесс является саморегулирующимся, поскольку атомы, которые находятся в положениях с высокой локальной кривизной, такие как адатомы или атомы уступа, удаляются преимущественно. Наконечники, используемые в FIM, более острые (радиус кончика составляет 100~300 Å) по сравнению с теми, которые используются в экспериментах FEM (радиус кончика ~1000 Å).
FIM использовался для изучения динамического поведения поверхностей и поведения адатомов на поверхностях. Изучаемые проблемы включают явления адсорбции - десорбции , поверхностную диффузию адатомов и кластеров, взаимодействия адатом-адатом, ступенчатое движение, равновесную форму кристалла и т. д. Однако существует вероятность того, что результаты будут зависеть от ограниченной площади поверхности (т. е. краевых эффектов) и наличия большого электрического поля.
В недавнем исследовании лаборатории Гюнтера Руппрехтера была исследована поверхность нанокристалла родия с использованием полевой эмиссионной микроскопии, состоящая из различных нанограней нанометрового размера, как модель компартментализированной реакционной наносистемы. Были обнаружены различные режимы реакции, включая переход к пространственно-временному хаосу. Переходы между различными режимами были вызваны изменениями давления водорода , изменяющими силу диффузионной связи между отдельными наногранями. [3]
