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.
Иллюстрации
|
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 (110), показывающее расположение различных кристаллографических плоскостей [2]. |
Авторы
- Зотов Андрей Вадимович
- Саранин Александр Александрович
Источники
- Оура К., Лифшиц В. Г., Саранин А. А. и др. Введение в физику поверхности / Под ред. В. И. Сергиенко. — М.: Наука, 2006. — 490 с.
- 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.