전계이온현미경

Field ion microscope
날카로운 백금 바늘 끝의 필드 이온 현미경 이미지. 각각의 밝은 점은 백금 원자다.

필드 이온 현미경(FIM)은 1951년 뮐러에 의해 발명되었다.[1] 날카로운 금속 끝의 표면에 있는 원자의 배열을 이미지화하는 데 사용할 수 있는 현미경의 일종이다.

1955년 10월 11일, 에르윈 뮐러와 그의 박사과정 학생인 칸와르 바하두르(펜실바니아 주립대학)는 21K로 냉각시키고 헬륨을 영상 가스로 채용하여 뾰족한 텅스텐 팁의 표면에서 개별 텅스텐 원자를 관측했다. 뮐러&바하두르는 개별 원자를 직접 관찰한 최초의 인물이었다.[2]

소개

FIM에서는 날카로운 (<50nm tip radius) 금속 팁이 생산되어 초고진공 챔버에 놓이게 되는데, 이 챔버에는 헬륨이나 네온과 같은 이미징 가스가 역 채워진다. 팁은 극저온(20–100 K)으로 냉각한다. 팁에는 5~10킬로볼트의 양의 전압이 가해진다. 팁에 흡착된 가스 원자는 팁 부근의 강한 전기장(즉, "장 이온화")에 의해 이온화 되어, 양전하가 되어 팁으로부터 밀어낸다. 끝 가까이에 있는 표면의 곡면성은 자연적으로 확대된다. 이온은 표면과 거의 수직인 방향으로 밀어낸다("점 투영" 효과). 이러한 퇴치 이온을 수집하기 위해 검출기를 배치한다. 수집된 이온에서 형성된 이미지는 팁 표면의 개별 원자를 이미징하기에 충분한 분해능이 될 수 있다.

영상촬영에 사용되는 입자의 파장에 의해 공간 분해능이 제한되는 기존 현미경과 달리 FIM은 원자 분해능과 대략 몇 백만 배 확대된 투영형 현미경이다.

설계, 제한 및 애플리케이션

현장배출 현미경(FEM)과 같은 FIM은 날카로운 샘플 팁과 형광 스크린(현재는 다채널 판으로 대체)으로 구성되어 있다. 그러나 다음과 같은 몇 가지 본질적인 차이가 있다.

  1. 팁 전위는 긍정적이다.
  2. 챔버에는 영상 가스(일반적으로 He 또는 Ne, 10−5 ~ 10 Torr−3)가 채워져 있다.
  3. 팁은 저온(약 20-80K)으로 냉각한다.

FEM과 마찬가지로, 팁 꼭지점의 자기장 강도는 일반적으로 몇 V/RW이다. FIM의 실험 설정 및 영상 형성은 첨부 그림에 설명되어 있다.

FIM 실험 설정.
FIM 영상 생성 프로세스

FIM에서는 강한 필드의 존재가 중요하다. 끝 근처의 이미징 가스 원자(He, Ne)는 들판에 의해 양극화되어 있고, 들판이 균일하지 않기 때문에 편광 원자는 끝 표면 쪽으로 끌어당긴다. 그러면 이미징 원자는 일련의 홉을 수행하는 운동 에너지를 잃고 팁 온도에 적응한다. 결국, 이미징 원자는 전자를 표면으로 터널링함으로써 이온화되며, 그 결과 양성 이온은 필드 라인을 따라 스크린으로 가속되어 샘플 팁의 고도로 확대된 이미지를 형성한다.

FIM에서 이온화는 필드가 가장 강한 팁에서 가까운 곳에서 일어난다. 원자로부터 터널을 뚫는 전자는 끝부분으로 집어들어간다. 터널링 확률이 최대인 임계 거리 xc가 있다. 이 거리는 일반적으로 약 0.4 nm이다. 원자 척도의 형상에 대한 매우 높은 공간 분해능과 고대비는 높은 국부 곡률 때문에 표면 원자 근처에서 전기장이 강화된다는 사실에서 발생한다. FIM의 분해능은 영상 이온의 열 속도에 의해 제한된다. 1㎛(원자 분해능)의 분해능은 팁의 유효냉각에 의해 달성될 수 있다.

FEM과 마찬가지로 FEM의 적용은 날카로운 팁 모양으로 제작할 수 있는 소재에 의해 제한되며, 초고진공(UHV) 환경에서 사용할 수 있으며, 정전기장이 높은 것을 견딜 수 있다. 이러한 이유로 용해 온도가 높은 내화 금속(예: W, Mo, Pt, Ir)은 FIM 실험을 위한 재래식 물체다. FEM과 FIM을 위한 금속 팁은 얇은 전선의 전기 광택(전기화학 광택)을 통해 준비된다. 그러나, 이러한 조언들은 보통 많은 악습을 포함하고 있다. 최종 준비 절차는 팁 전압을 올리는 것만으로 현장 증발로 이러한 아퍼티를 현장에서 제거하는 것이다. 자기장 증발은 매우 높은 자기장 강도에서 표면 자체에서 원자를 제거하는 자기장 유도 과정이며 일반적으로 2-5 V/TW 범위에서 발생한다. 이 경우에 전기장의 효과는 표면에 대한 원자의 유효 결합 에너지를 감소시키고, 사실상 제로 전기장에서 그 온도에서 예상되는 것과 비교하여 크게 증가한 증발 속도를 제공하는 것이다. 아다톰이나 레지 원자와 같이 국소 곡률이 높은 위치에 있는 원자가 우선적으로 제거되기 때문에 이 과정은 자율 조절이다. FIM에 사용되는 팁은 FEM 실험에 사용되는 팁(팁 반경은 100~300 å)에 비해 더 날카롭다(팁 반경은 1000 å).

FIM은 표면의 동적 거동과 표면의 아다톰의 거동을 연구하기 위해 사용되어 왔다. 연구된 문제에는 흡착-탈착 현상, 아다톰과 군집의 표면 확산, 아다톰-아다톰 상호작용, 스텝 동작, 평형 결정 모양 등이 포함된다. 그러나 결과가 제한된 표면적(즉, 가장자리 효과)과 큰 전기장의 존재에 의해 영향을 받을 가능성이 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ Müller, Erwin W. (1951). "Das Feldionenmikroskop". Zeitschrift für Physik. 131 (8): 136–142. Bibcode:1951ZPhy..131..136M. doi:10.1007/BF01329651.
  2. ^ Müller, Erwin W.; Bahadur, Kanwar (1956). "Field Ionization of gases at a metal surface and the resolution of the field ion microscope". Phys. Rev. 102: 624–631. Bibcode:1956PhRv..102..624M. doi:10.1103/physrev.102.624.
  • K.우라, V.G.라이프시츠, A.아사라닌, A.V.조토프, M.카타야마, 표면 과학 – 소개 (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003).
  • 존 B. 허드슨, 표면 과학 – 소개, BUTORWorth-Heinemann 1992.

외부 링크

추가 읽기