Физическая энциклопедия - ионный проектор

(полевой ионный микроскоп, автоионный микроскоп), безлинзовый ионно-оптич. прибор для получения увеличенного в неск. млн. раз изображения поверхности тв. тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2-3 ?, что даёт возможность наблюдать расположение отд.

атомов в крист. решётке. И. п. был изобретён в 1951 Э. В. Мюллером (Е. W. Miiller, США), к-рый ранее создал электронный проектор. Принципиальная схема И. н. показана на рис. 1. Положит. электродом и одновременно исследуемым объектом, увеличенная поверхность к-рого изображается на экране, служит остриё тонкой проводящей иглы. Атомы (или молекулы) газа, заполняющего внутр.

объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои эл-ны. Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 жидкий водород; 2 жидкий азот; 3 остриё; 4 проводящее кольцо; 5 экран. Возникшие положит. ионы приобретают под действием поля радиальное ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциал к-рого отрицателен) и бомбардируют его.

Свечение каждого элемента экрана пропорц. плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит (в увеличенном масштабе) распределение плотности возникновения ионов вблизи острия, отражающее структуру поверхности объекта. Масштаб увеличения m примерно равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r, т.

е. m=R/r. Вероятность полевой ионизации (см. АВТОИОНИЗАЦИЯ) газа в электрич. поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизационного потенциала этой ч-цы. Это значит, что напряжённость поля должна достигать =(2-6)*108 В/см, т.е. (2-6) В/?. Столь сильное поле можно создать у поверхности острия (на расстоянии 5-10 ? от неё) при достаточно малом радиусе кривизны поверхности от 100 до 1000 А.

Именно поэтому (наряду со стремлением к большим увеличениям) образец в И. п. изготовляют в виде тонкого острия. Вблизи острия электрич. поле неоднородно над ступеньками крист. решётки или над отдельными выступающими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность полевой ионизации выше и кол-во ионов, образующихся в ед.

времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Другим фактором, влияющим на контраст, явл. электронная природа атома; так, напр., в сплаве Со и Pt более электроотрицательные атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны. Ионный ток и, следовательно, яркость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, к-рое в И. п., однако, обычно не превышает 10-3 мм рт. ст. Разрешающая способность И. п. d находится в обратной зависимости от тангенциальной составляющей скорости иона, т. е., чем меньше кинетич. энергия ч-цы, превращающейся в ион, тем выше б. Поэтому остриё И. п. обычно охлаждают (до 4-78 К). При этом увеличивается аккомодация ч-ц изображающего газа. В сильном электрич. поле атомы газа адсорбируются на участках с наибольшей локальной напряжённостью поля (т. н. полевая адсорбция). Их присутствие даёт возможность получать высокодеталированное изображение (рис. 2), т. к. полевая ионизация изображающих ч-ц облегчается при полевой адсорбции на уже ранее адсорбированных ч-цах. Рис. 2. Изображения поверхности вольфрамового острия радиусом 950 ? при увеличении в 106 раз в электронном проекторе (о) и в гелиевом ионном проекторе (б) при темп-ре 22К. На первом изображении можно видеть только структуру крист. плоскостей, тогда как с помощью ионного проектора за счёт разрешения отд. атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочную структуру ступеней крист. решетки. Чем выше потенциал ионизации ч-ц, тем большее разрешение они обеспечивают.

(Лучшими изображающими газами явл. Не и Ne.) Однако при этом требуются более сильные электрич. поля, что ограничивает круг объектов И. п. из-за полевого испарения. Примесь к рабочему газу другого снижает величину изображающего поля за счёт понижения порогового поля полевой адсорбции. Часто в И. п. применяют внутренний микроканальный умножитель (МКУ), к-рый конвертирует ионный ток в электронный, многократно его усиливает и обеспечивает яркое изображение на экране.

МКУ позволили использовать разнообразные рабочие газы, понижать их давление и тем самым значительно , расширили возможности И. п. И. п. широко применяется для исследования ат. структуры поверхности металлов, сплавов и соединений. С его помощью определяются параметры поверхностной диффузии отд. атомов и их элем. ассоциатов, при этом выявляются механизмы перемещения, что недоступно др. методам. С помощью И. п. наблюдаются и изучаются двухмерные фазовые превращения; в ат. масштабе исследуются внутр. дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дислокации, дефекты упаковки и др.); исследуются потенциалы межат. вз-ствия, электронные св-ва элементарных поверхностных объектов. Исследования с использованием И. п. привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в поликристаллах. Сочетание И. п. с масс-спектрометром, регистрирующим отд.

ионы, привело к изобретению ат. зонда, расширившего аналитич. возможности прибора. .