микроскопия, полевая эмиссионная (англ. field emission microscopy сокр., FEM) — микроскопия поверхности образца, имеющего форму острой иглы, основанная на использовании эффекта полевой эмиссии электронов в сильном электрическом поле.

Описание

Метод был открыт Эрвином Мюллером (Erwin Wilhelm Muller) в 1936 г. и стал одним из первых методов анализа поверхности, в котором было достигнуто разрешение, близкое к атомному. Устройство микроскопа показано схематически на рис. 1. Он содержит металлический образец в форме острой иглы и проводящий флуоресцентный экран внутри вакуумированного объема. К игле приложен большой отрицательный потенциал относительно экрана (1–10 кэВ). Радиус кривизны острия иглы ~100 нм; следовательно, электрическое поле вблизи острия иглы имеет величину порядка 1010 В/м. Такие высокие поля вызывают полевую эмиссию электронов. Электроны, испускаемые иглой, разлетаются радиально вдоль силовых линий и образуют яркие и темные пятна на флуоресцентном экране, которые однозначно соответствуют кристаллографическим плоскостям на полусферическом эмиттере. Ток эмиссии сильно зависит от величины локальной работы выхода в соответствии с уравнением Фоулера–Нордгейма:

где  — плотность тока эмиссии, F — величина электрического поля,  — работа выхода,  и b — параметры. Следовательно, изображение в полевом эмиссионном микроскопе фактически дает увеличенную карту работы выхода поверхности эмиттера. Плотноупакованные плоскости ({110}, {211} и {100}) имеют более высокие значения работы выхода, чем атомно-шероховатые области, и, следовательно, проявляются на изображении в виде темных пятен на более ярком фоне (рис. 2).

Линейное увеличение микроскопа может достигать величины 105–106, предел разрешения около 2 нм. Он определяется тангенциальной по отношению к поверхности эмиттера составляющей скорости электрона, величина которой близка к максимальной скорости (скорости Ферми) электрона в металле.

Применение полевой эмиссионной микроскопии ограничено материалами, обладающими следующими свойствами:

  • из них можно сделать острую иглу;
  • их можно очистить в условиях сверхвысокого вакуума;
  • они могут выдерживать большие электростатические поля.

По этим причинам обычными объектами исследования для полевой эмиссионной микроскопии служат тугоплавкие металлы (например, W, Mo, Pt, Ir). Микроскоп позволяет на одном образце измерять работу выхода для разных кристаллографических плоскостей.

Иллюстрации

Рис. 1. а — Экспериментальная установка для полевой эмиссионной микроскопии; б — схематическая
Рис. 1. а — Экспериментальная установка для полевой эмиссионной микроскопии; б — схематическая диаграмма оптики микроскопа. Объект с линейным размером d на поверхности иглы увеличивается в L/r раз и возникает на поверхности экрана с размером D [1].
Рис. 2. Изображение в полевом эмиссионным микроскопе чистой поверхности вольфрама с ориентацией
Рис. 2. Изображение в полевом эмиссионным микроскопе чистой поверхности вольфрама с ориентацией (110), показывающее расположение различных кристаллографических плоскостей [2].

Авторы

  • Зотов Андрей Вадимович
  • Саранин Александр Александрович

Источники

  1. Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
  2. Muller E.W., Work function of tungsten single crystal planes measured by the field emission microscope // J. Appl. Phys. 1955. V. 26, №6. P. 732–737.

Напишите нам