12.3.4. Полевая эмиссионная микроскопия.

Принцип полевой электронной микроскопии состоит в том, что если на пути электронного пучка, полученного путем автоэлектронной эмиссии с тонкого металлического острия катода, поставить на макроскопическом расстоянии флуоресцентный экран – анод, то на нем электронные лучи сфор-мируют проекцию вершины острия.

П рибор, с помощью которого можно реализовать принцип полевой микроскопии, называется электронным проектором или автоэлектронным микроскопом. Автоэлектронный микроскоп представляет собой безлинзовый электронно-оптический прибор для получения изображения поверхности твердого тела с увеличением до 10⁶ раз (рис. 12.3.14).

Катод из металла формируется в виде острия, радиус кривизны кото-рого достигает r ~ 0,01 ÷ 0,1 мкм. Катод помещается в центре сферической колбы, дно которой покрыто слоем люминофора. Анод представляет собой проводящее покрытие на стенках и дне колбы. В колбе создается вакуум ~10 ^-9 ÷ 10 ^-10 мм рт. ст. Когда на анод подается положительное напряжение в несколько киловольт, на кончике автоэлектронного катода напряженность электрического поля достигает 10⁷ ÷ 10⁸ В/см, что приводит к автоэмиссии электронов. Эмитированные электроны движутся по радиальным траекто-риям и на флуоресцирующем экране-аноде формируют увеличенное контрастное изображение поверхности катода. По существу получается изображение кристаллической структуры острия с адсорбированными на нем атомами (рис. 12.3.15).

К оэффициент увеличения М выражается следующей зависи-мостью:  ≈ 10⁵ ÷ 10⁶ , где j – коэффициент сжатия (1,5 < j < 2), r – радиус острия автокатода, R – расстояние катод-анод.

Автоэлектронное изображение вольфрамового острия представлено на рис. 12.3.15,а. С помощью рентгеноструктурного анализа можно расшиф-ровать плоскости кристалла: плотноупакованная грань – (001), грань типа (112), грань куба (100) и т.д.

Автоэлектронный микроскоп обладает рядом недостатков, связанных прежде всего с низкой разрешающей способностью.

Б ыла предложена конструкция автоионного микроскопа, в некотором смысле повторяющая конструкцию автоэлектронного микроскопа. На острие подается положительный потенциал. В вакуумную систему напускается инертный газ, который в результате ионизируется в сильном электрическом поле у поверхности острия. Электроны стремятся к острию, а возникшие положительные ионы приобретают под действием радиального электри-ческого поля ускорение (рис. 12.3.15,б).

Вблизи острия электрическое поле неоднородно: над ступеньками кристаллической решетки или отдельными выступающими атомами его локальная напряженность увеличивается. Именно на таких участках увеличивается вероятность ионизации и соответственно больше образуется количество ионов на единицу времени (рис. 12.3.16,а).

На флуоресцентном экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Для увеличения разрешающей способности ионного полевого микроскопа острие стараются охладить до 4 ÷ 78 К, Обычное разрешение полевого микроскопа составляет 20 Ǻ. В отдельных случаях удалось достигнуть разрешения до 4 Ǻ. Это означает, что удалось наблюдать изображение двух-трех атомов.

Электронные и ионные проекторы применяются для определения работы выхода с разных границ монокристалла, наблюдения фазовых пре-вращений, изучения адсорбции и поверхностной диффузии атомов.

Методами полевой эмиссионной микроскопии можно исследовать потенциалы межатомного взаимодействия, электронные свойства поверх-ностных нанообъектов, полевое испарение при критических температурах. Сочетание ионного проектора с масс-спектрометром, регистрирующим отдельные ионы, привело к изобретению атомного зонда.

Разрешающая способность микроскопа практически не зависит от температуры образца. Это обстоятельство позволяет исследовать процессы высокотемпературных фазовых превращений. Автоэлектронный микроскоп используется для изучения влияния адсорбции различных веществ на поверхности образца на величину работы выхода электронов.