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文檔簡介

1、場離子顯微鏡張紅敏場離子顯微鏡原理場離子顯微鏡（FIM）是一種具有高分辨, 高放大倍數且能直接觀察固體表面原子的表面研究裝置。它是從場發射顯微鏡(FEM)發展而來的,1937年E.W Muller開始研究場發射顯微鏡,用以研究化學吸附和表面擴散等,但分辨率很差所以不能看到單個原子,而將場離子顯微鏡與飛行時間質譜連接而構成所謂原子探針場離子顯微鏡（APFIM）, 則既可以直接觀察樣品表面的原子排列, 又可以鑒別極微區（幾個）內原子的成分,場離子顯微鏡已廣泛應用于表面科學及材料科學方面的研究。場離子顯微鏡將經電化學腐蝕后達到一定曲率半徑的針尖樣品正對著平板狀的熒光屏，為了提高針尖樣品的發射穩定性和

2、分辨率, 須將樣品冷至液氮、液氫或液氦溫度,其次要將鏡體內的殘余氣體抽真空，然后導入He，Ne等稀有氣體以及H2等或者它們的混合物作為成像氣體。實驗時，將針尖加上強正電壓，于是在針尖尖端與螢光屏(接地) 之間就產生放射狀的電場。由于在針尖部分場強很強，由于量子力學的隧道效應, 成像氣體原子很容易被離化，即“場離化”，然后, 氣體離子就沿著放射狀電場加速到達熒光屏, 在熒光屏上產生與表面原子一一對應的輝點。場離子顯微鏡的基本原理包括:1.量子力學中電子的隧道效應。它又稱勢壘貫穿，是指一個運動的電子遇到一個高于電子能量的勢壘，按照經典力學，它是不能越過勢壘的，但是按照量子力學，可以解出除了在勢壘處

3、的反射外，還有透過勢壘的波函數，這表明在勢壘的另一邊，粒子仍具有一定的概率。它反映了微觀粒子的波動性的存在。如圖1。 2.電學中導體表面電場與其曲率成正比。即以相同的電壓加上相同的導體上，曲率越大,也就是越尖的,導體上電荷越密集，其產生的電場越強。 3.場離化原理。 當氣體分子靠近金屬或導體樣品表面時，強大的正電場改變了氣體原子中電荷的分布，氣體分子被極化而受電場吸引向針尖飛去。當氣體分子相當靠近具有高電場的表面時，氣體分子中電子的位能勢壘因受導體表面電場的影響而變形，位能勢壘寬度漸漸變窄，氣體分子中最外層電子可以有機會穿隧而出至導體樣品表面時，氣體分子即離化成“氣體離子”。因為氣體離子與導體

4、表面所具有的正電場彼此互相排斥，所以氣體離子會沿著電場的方向飛離。當離化現象大量發生時，這些氣體離子所造成的離子流會沿著表面電場向外輻射狀射出，撞上不遠處所置的熒光屏，如圖2所示。熒光屏上明暗的分布，代表著離子流的大小，也即導體樣品表面上電場的強弱分布；而這些強弱不同的電場是由于導體表面上不同的曲率所造成，在同一平面上只有原子的形狀可以造成這些不同曲率的現象。所以熒光屏上明暗的分布，也就是表面上原子形狀的放大。故場離子顯微鏡觀察的是表面上原子一顆顆排列的結構，如圖3所示的鎢的場離子像。所以它是原子尺度的顯微鏡。參考文獻1.任大剛,謝天生.場離子顯微鏡及鎢晶體表面結構觀察. 中國科學院金屬研究所,

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