Автоионная (полевая ионная) микроскопия

Полевая ионная микроскопия вступила уже в свое пятое десятилетие, но она все еще остается единственной методикой в микроскопии, способной в ходе обычного эксперимента обеспечивать прямое наблюдение отдельных атомов как элементов, составляющих структуру образца. Для полевой ионной микроскопии можно использовать широкий круг металлических и полупроводниковых образцов для наблюдения их поверхности с атомным разрешением, выбирать отдельный атом на изображении для масс-спектрометрической идентификации, производить in situ эксперименты с отдельными атомами, осажденными на поверхность, и анализировать структурный и химический состав образца в объеме посредством управляемого послойного удаления поверхностных атомов электрическим полем при криогенных температурах.

Первый вариант полевого ионного микроскопа (ПИМ) был создан в 1951 г. Э. Мюллером на основе известной конструкции полевого электронного микроскопа. Отличие этих двух типов микроскопов состоит в следующем: во-первых, на образец в режиме ПИМ подается положительное напряжение, позволяющее создавать поле напряженностью 500 МВ/см, во-вторых, радиус закругления острия-образца делают на порядок меньше. Изображение поверхности острия формируется теперь на экране положительными ионами, летящими по нормали к его поверхности. Увеличение достигает несколько миллионов диаметров, а разрешающая способность  23 А. Образец в полевом ионном микроскопе не эмиттирует ионы, они образуются благодаря процессам полевой ионизации изображающего газа и полевого испарения атомов самого материала в виде положительных ионов. Изображающий газ вводится в камеру микроскопа под давлением 10^310^4Па, в непосредственной близости к острию.

Этого давления достаточно для того, чтобы длина среднего свободного пробега ионов позволяла им долетать до экрана без искажающих картину взаимных соударений. В ПИМе можно выделить две основные конструктивные особенности: охлаждение острия путем теплоотвода через металлические вводы (на них же и крепится острие-образец), охлаждаемые сжиженным газом; наличие плоского экрана, который необходим для фоторегистрации слабых изображений объективом с большой апертурой и малым фокусным расстоянием. Назначение теплового экрана вокруг острия, обычно находящегося при потенциале флюоресцирующего экрана, сводится не только к предварительному охлаждению поступающего на острие газа, но и к одновременному ограничению пространства, где создается электрическое поле.

Принцип действия полевого ионного микроскопа (ПИМ) основан на проективном характере получения ионного изображения поверхности образца и определяется конструкцией прибора (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Схематическое изображение автоионного микроскопа: 1  хладоагент; 2  ускоряющий экран; 3  образец; 4  траектория иона; 5  фосфоресцирующий экран на токопроводящем покрытии; 6  к вакуумному насосу и системе подачи газа

Образец в виде игольчатого острия, приготовленного путем электролитической полировки, монтируется на молибденовых вводах вакуумной камеры микроскопа. Охлаждение образца-острия производится также за счет теплоотвода через молибденовые вводы, которые находятся при температуре сжиженных газов, в частности, жидкого азота (78 К). Пропусканием электрического тока через те же вводы можно нагревать образец-острие до необходимых температур. Давление остаточных газов в камере микроскопа может достигать 10^410^8Па. В качестве изображающего газа служит инертный газ, как правило, гелий или неон. Рабочее давление изображающего газа составляет обычно около 10^310^4Па и определяется соизмеримым с длиной среднего пробега ионов изображающего газа расстоянием между острием и флюоресцентным экраном. Для получения ионного изображения поверхности образца-острия на флюоресцентном экране между ними создается разность потенциалов порядка нескольких киловольт. Причем экран имеет потенциал земли. Благодаря высокой напряженности электрического поля (E ~ 500 МВ/см), возникающей на близкой к полусферической вершине острия-образца (r ~ 1001000 А), изображение ее поверхности формируется на экране положительными ионами изображающего газа, летящими по траекториям, нормальным к этой поверхности. Ионизация атомов изображающего газа происходит при определенной напряженности электрического поля и имеет место на расстоянии не ближе критического от поверхности вершины кончика острия ~ 5 А (рис.8.10).

r = 3 × 10^6см; R = 6 см; Т образца = 78 К

Рис. 8.10. Процесс формирования ионного изображения металлической поверхности

Вероятность ионизации атомов изображающего газа намного выше над выступающими атомами поверхности, которые располагаются в местах изломов ступенек.

Формирование ионного изображения поверхности образца посредством радиального проецирования напрямую связано с возможностью приготовления вершины эмиттера в виде почти полусферической атомарно гладкой поверхности. Это достигается с помощью полевого испарения, которое возможно только при приложенном к эмиттеру поля достаточно высокой напряженности. В таком поле выступающие на поверхности атомы будут испаряться в виде положительных ионов. Полевое испарение представляет собой саморегулирующийся процесс "полировки" острия, потому что локальное усиление электрического поля вблизи острых краев и над выступами приводит к их преимущественному испарению (удалению) полем. В результате образуется идеально гладкая в атомном масштабе поверхность вершины образца-острия. К тому же эта постоянно визуализируемая в процессе полевого испарения поверхность является атомарно чистой. Непрерывная регистрация такой поверхности с помощью фото-, видео- или кинокамеры при контролируемом удалении слоя за слоем поверхностных атомов позволяет в результате анализировать кристаллическую структуру объекта исследования в объеме материала.

Интерпретация полевых ионных изображений. Типичное ионное изображение поверхности образца-острия представляет собой сравнительно легко поддающуюся расшифровке "топографическую карту" вершины эмиттера (рис. 8.8 б и г). Кольцевые контурные линии на ионном изображении являются краями соответствующих семейств кристаллографических плоскостей определенных направлений. Соседние кольца (из любого семейства концентрических колец) представляют собой изображения параллельных атомных слоев. Расстояние между кольцами соответствует межплоскостному для данного кристаллографического направления. В терминологии ионной микрокартины это расстояние называют еще высотой ступеньки кристаллической решетки. Сами кольца на ионной микрокартине, как правило, состоят из отдельных ярких точек, которые представляют собой изображения поверхностных атомов, находящихся в положениях атомов в изломах ступенек (рис. 8.10).

Полевой ионный микроскоп не предназначен для определения параметров неизвестных кристаллических решеток или неизвестных элементарных ячеек каких-либо материалов. Предварительно эти сведения получают с помощью других структурных методов исследования, таких как рентгеноструктурный анализ или просвечивающая электронная микроскопия. Поэтому структура и параметры решеток материалов, которые изучают в полевом ионном микроскопе, заранее известны. Интерпретацию полевых ионных микрокартин можно легко провести, зная, с одной стороны, данные о симметрии наблюдаемого металла и структуре его решетки, а с другой стороны, принимая во внимание проективный характер получаемого на экране прибора ионного изображения от полусферической поверхности образца. Для этих целей еще в самых ранних работах по полевой ионной микроскопии была построена шариковая модель. Такая модель очень близка к полевым ионным изображениям только для наиболее выступающих на поверхности атомов (ими, собственно, и являются атомы в изломе ступенек). Это соответствие подтверждает тот факт, что индексация микрокартин может быть произведена сравнением ее с геометрической проекцией кристаллической решетки.