Автоионная микроскопия

При вводе в автоионную трубку водорода при очень низком давлении 0,1 н/м²и приложении к острию высокого положительного напряжения атомы газа испытывают действие сильного электрического поля и ионизируются из-за туннельного эффекта – это и называется автоионной эмиссией.

Таким образом, автоионная эмиссия является автоэлектронной эмиссией в обратном направлении и представляет просачивание электронов через потенциальный барьер из молекул в острие.

Первоначально автоионный микроскоп наполняли водородом, теперь обычно используют другие газы, особенно гелий. Благодаря очень высоким разрешениям, достигаемым при применении гелия, можно выявить структуру решётки чистых поверхностей автоионных эмиттеров.

Типичная конструкция прибора приводится на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1. Схема автоионного микроскопа:

1 – высокое напряжение; 2 – жидкий водород или гелий;

3 – эмиттер; 4 – металлический конус; 5 – токопроводящее

покрытие; 6 – экран.

Из-за высокой энергии ионизации гелия поле на поверхности острия должно иметь напряженность 5·10⁴ МВ/м, чтобы получить электрическое поле такой напряжённости, к остриям радиусом 10 - 100 нм надо приложить напряжение 5 - 25 кВ.

Механизм образования изображения достаточно простой. Атомы или молекулы, приближающиеся к острию, ионизируются или вблизи него, или на пути к острию, или при отскоке. Затем ионы ускоряются, двигаясь вдоль силовых линий поля по направлению к экрану, который имеет отрицательный потенциал, и здесь образуют сильно увеличенное изображение зоны ионизации.

Разрешение зависит от нескольких факторов, которые часто трудно сбалансировать:

- ионы, формирующие изображение, должны обладать высокой осевой, но низкой поперечной скоростью;

- ионизация должна протекать непосредственно вблизи поверхности острия;

- контраст должен быть высоким, поэтому анизотропия поля в зоне ионизации должна быть по возможности большой.

Для выполнения первого и второго условия необходимоиметьминимальную температуру, но достаточную для дегазации, и максимальное ускоряющее напряжение, но последнее условие, в то же время, подразумевает ограничение напряженности поля. При работе с гелием оптимальной температурой является 20 К. Достигается разрешающая способность вплоть до 0,3 нм, при котором можно видеть отдельные атомы решётки.

Недостатком метода является то, что для ионизации требуются поля напряженностью порядка 5·10⁴ МВ/м. В таких полях все металлы с относительно низкими температурами плавления, как, например, железо, даже при температуре жидкого гелия испаряются так быстро, что затрудняется наблюдение стабильной структуры. Кроме того, с помощью автоионной микроскопии невозможно исследовать органические вещества. Наиболее интересным применением этого метода является исследование дефектов и явлений роста зёрен в тугоплавких металлах.