|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Ионный микроскоп |
 | |
Анимация
Описание
Ионный микроскоп - электронно-оптический прибор, в котором изображение создается ионным пучком от термоионного или газоразрядного ионного источника. Принцип действия ИМ аналогичен электронному микроскопу. Проходя через объект, ионный пучок рассеивается элементами его структуры и частично поглощается, а затем фокусируется системой электростатических или магнитных линз и создаёт на экране или в фотослое увеличенное изображение объекта.
ИМ имеет более высокую разрешающую способность по сравнению с электронным микроскопом. При одинаковом ускоряющем напряжении длина волны де Бройля для ионов в М/m раз меньше, чем для электронов (m - масса электронов, М - масса ионов), поэтому дифракционные искажения, ограничивающие разрешающую способность электронного микроскопа, в ИМ очень малы. ИМ подвержен меньшему влиянию изменения массы ионов при больших ускоряющих напряжениях и дает большую контрастность изображения. Например, изображения органических плёнок толщиной в 5 нм в ИМ имеют контрастность в несколько раз большую, чем контрастность изображений тех же пленок в электронном микроскопе.
ИМ имеет ряд существенных недостатков, из-за которых он в настоящее время практически не используется. Ионный пучок разрушает даже очень тонкий образец, дает большую хроматическую аберрацию, разрушает люминофор экрана и оказывает слабое фотографическое действие.
Более эффективен ИМ без линз - ионный проектор (полевой ионный микроскоп, автоионный микроскоп). Ионный проектор (ИП) - ионно-оптический прибор с разрешением 0,2 - 0,3 нм, дающий изображение поверхности твёрдого тела (чаще металла), увеличенное в несколько миллионов раз и позволяющий наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решётке.
ИП был изобретён в 1951 Э. Мюллером и явился логическим развитием созданного им ранее автоионного микроскопа. Принципиальная схема ИП показана на рис. 1.
Схема ионного проектора
Рис. 1
Обозначение:
1 - жидкий водород;
2 - жидкий азот;
3 - острие;
4 - проводящее кольцо;
5 - экран.
Положительным электродом и одновременно объектом, поверхность которого изображается на экране, служит остриё тонкой проводящей иглы с радиусом закругления от 5 до 100 нм. Образец располагается в нескольких сантиметрах от флуоресцирующего экрана в вакууме с остаточным давлением порядка 10-7 - 10-8 мм рт. ст. и охлаждается до температуры жидкого азота или жидкого водорода. Электроны атомов изображающего газа (He, Ne, Ar и др.), заполняющего объём прибора, захватываются металлом в результате туннельного перехода в сильном неоднородном электрическом поле вблизи поверхности острия, напряженность которого достигает 20 - 60 В/нм. Такие области сильного поля существуют только около выступающих над поверхностью атомов, расположенных на ребрах ступенек кристаллической решетки. Возникшие положительные ионы отталкиваются от образца и устремляются к флуоресцирующему экр ану (потенциал которого отрицателен), образуя дискретные пучки, соответствующие атомным выступам на поверхности образца. При ударе об экран эти ионы образуют спроектированное изображение примерно 10 - 20% атомов на поверхности образца. Достигаемое увеличение приблизительно равно отношению расстояния острия до экрана к радиусу кривизны острия и обычно составляет 106. Разрешающая способность ИП увеличивается с уменьшением тангенциальной составляющей скорости иона, т. е. с уменьшением его кинетической энергии. Поэтому остриё ИП обычно охлаждается до 4 - 78 К. Увеличение потенциала ионизации частиц повышает разрешение ИП. Лучшими изображающими газами являются гелий и неон.
Достаточно сильное электрическое поле может удалить атомы с поверхности образца без их заметного нагрева (эффект испарения полем). Испарение полем используется для снятия загрязнений и получения атомно-гладкого закругления на поверхности образца. Этим методом можно точно контролировать и удалять с поверхности отдельные атомы, группы атомов и целые слои. Поэтому большое количество микро снимков с изображением отдельных атомов позволяет получить трехмерную картину образца. Процесс испарения полем может быть использован для «микроанатомирования» образца.
Автоионное изображение является очень слабым и даже при использовании наиболее чувствительной пленки и объективов с максимальной апертурой для его фотографирования требуется время экспозиции от 10 с до нескольких часов. Для получения ярких и контрастных изображений в ИП используются фотоэлектронные усилители яркости, волоконно-оптические пластины, микроканальные пластины, а также конвертирование ионного изображения в электронное.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Ионный микроскоп и ионный проектор применяются в лабораторной практике для исследования атомной структуры поверхности металлов, сплавов и соединений, изучения внутренних дефектов в металлах и сплавах.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Техническая реализация в виде лабораторного опыта крайне затруднительна. Следует использовать имеющийся ионный микроскоп для наблюдения кристаллической структуры проводящей иглы, как описано в содержательной части.
Литература
1. Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия / Пер. с англ.- М., 1972.
2. Мюллер Э., Цонь Т. Полевая ионная микроскопия. Полевая ионизация и полевое испарение / Пер. с англ.- М., 1980.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
