Microscópio de íon de campo - Field ion microscope

Imagem de microscópio de íons de campo da extremidade de uma agulha afiada de platina . Cada ponto brilhante é um átomo de platina.

O microscópio de íons de campo (FIM) foi inventado por Müller em 1951. É um tipo de microscópio que pode ser usado para obter imagens do arranjo de átomos na superfície de uma ponta de metal afiada.

Em 11 de outubro de 1955, Erwin Müller e seu Ph.D. estudante, Kanwar Bahadur (Pennsylvania State University) observou átomos de tungstênio individuais na superfície de uma ponta de tungstênio pontiaguda resfriando-a a 21 K e empregando hélio como o gás de imagem. Müller & Bahadur foram as primeiras pessoas a observar átomos individuais diretamente.

Introdução

No FIM, uma ponta de metal afiada (raio da ponta <50 nm) é produzida e colocada em uma câmara de ultra alto vácuo , que é preenchida com um gás de imagem, como hélio ou néon . A ponta é resfriada a temperaturas criogênicas (20–100 K). Uma voltagem positiva de 5 a 10 kilo volts é aplicada à ponta. Os átomos de gás adsorvidos na ponta são ionizados pelo forte campo elétrico nas proximidades da ponta (portanto, "ionização de campo"), tornando-se carregados positivamente e sendo repelidos pela ponta. A curvatura da superfície perto da ponta causa uma ampliação natural - os íons são repelidos em uma direção aproximadamente perpendicular à superfície (um efeito de "projeção pontual"). Um detector é colocado de forma a coletar esses íons repelidos; a imagem formada a partir de todos os íons coletados pode ter resolução suficiente para representar átomos individuais na superfície da ponta.

Ao contrário dos microscópios convencionais, onde a resolução espacial é limitada pelo comprimento de onda das partículas que são utilizadas para a imagem, o FIM é um microscópio do tipo de projeção com resolução atômica e uma ampliação aproximada de alguns milhões de vezes.

Design, limitações e aplicações

A microscopia de emissão de campo do tipo FIM (FEM) consiste em uma ponta de amostra afiada e uma tela fluorescente (agora substituída por uma placa multicanal ) como os elementos principais. No entanto, existem algumas diferenças essenciais como segue:

  1. O potencial da ponta é positivo.
  2. A câmara é preenchida com um gás de geração de imagens (normalmente, He ou Ne em 10 −5 a 10 −3 Torr).
  3. A ponta é resfriada a baixas temperaturas (~ 20-80K).

Como o FEM, a intensidade do campo no ápice da ponta é normalmente alguns V / Å . A configuração experimental e a formação da imagem em FIM são ilustradas nas figuras anexas.

Configuração experimental FIM.
Processo de formação de imagens FIM.

Na FIM, a presença de um campo forte é crítica. Os átomos do gás de imagem (He, Ne) próximos à ponta são polarizados pelo campo e, como o campo não é uniforme, os átomos polarizados são atraídos para a superfície da ponta. Os átomos de imagem então perdem sua energia cinética realizando uma série de saltos e se acomodam à temperatura da ponta. Eventualmente, os átomos de imagem são ionizados por tunelamento de elétrons na superfície e os íons positivos resultantes são acelerados ao longo das linhas de campo para a tela para formar uma imagem altamente ampliada da ponta da amostra.

No FIM, a ionização ocorre próximo à ponta, onde o campo é mais forte. O elétron que sai do átomo em túneis é captado pela ponta. Há uma distância crítica, xc, na qual a probabilidade de tunelamento é máxima. Esta distância é normalmente de cerca de 0,4 nm. A resolução espacial muito alta e o alto contraste para características na escala atômica surgem do fato de que o campo elétrico é intensificado na vizinhança dos átomos da superfície por causa da curvatura local mais alta. A resolução de FIM é limitada pela velocidade térmica do íon de imagem. A resolução da ordem de 1Å (resolução atômica) pode ser alcançada pelo resfriamento efetivo da ponta.

A aplicação de FIM, como o FEM, é limitada pelos materiais que podem ser fabricados na forma de uma ponta afiada, podem ser usados ​​em um ambiente de ultra alto vácuo (UHV) e podem tolerar os altos campos eletrostáticos . Por essas razões, metais refratários com alta temperatura de fusão (por exemplo, W, Mo, Pt, Ir) são objetos convencionais para experimentos FIM. As pontas metálicas para FEM e FIM são preparadas por eletropolimento (polimento eletroquímico) de fios finos. No entanto, essas dicas geralmente contêm muitas asperezas . O procedimento de preparação final envolve a remoção in situ dessas asperezas por evaporação de campo apenas aumentando a tensão de ponta. A evaporação de campo é um processo induzido por campo que envolve a remoção de átomos da própria superfície em intensidades de campo muito altas e normalmente ocorre na faixa de 2-5 V / Å. O efeito do campo, neste caso, é reduzir a energia de ligação efetiva do átomo à superfície e dar, com efeito, uma taxa de evaporação muito maior em relação à esperada naquela temperatura em campos zero. Esse processo é autorregulado, pois os átomos que estão em posições de alta curvatura local, como adátomos ou átomos de saliência, são removidos preferencialmente. As pontas usadas em FIM são mais nítidas (raio de ponta é 100 ~ 300 Å) em comparação com aquelas usadas em experimentos de FEM (raio de ponta ~ 1000 Å).

FIM tem sido usado para estudar o comportamento dinâmico de superfícies e o comportamento de adátomos em superfícies. Os problemas estudados incluem adsorção - fenômenos de dessorção , difusão superficial de adatoms e clusters, interações adatom-adatom, movimento de passo, forma de cristal de equilíbrio, etc. No entanto, existe a possibilidade de os resultados serem afetados pela área de superfície limitada (ou seja, efeitos de borda ) e pela presença de grande campo elétrico.

Veja também

Referências

links externos

Leitura adicional