離子顯微鏡

E.W.彌勒於1951年發明的一種解析度極高(2～3┱)、能直接用於觀察金屬表面原子的分析裝置，簡稱FIM。FIM(Field Ion Microscope)是最早達到原子解析度，也就是最早能看得到原子尺度的顯微鏡。

基本介紹

• 中文名：離子顯微鏡
• 外文名：離子顯微鏡
• 時間：1951年
• 簡介：點投影的顯微鏡

簡介

FIM是點投影的顯微鏡，結構很簡單。但與通常的高解析度電子顯微鏡不同，它成像時不使用磁或靜電透鏡，是由所謂成像氣體的“場電離”過程來完成的。

構造

FIM(FieldIonMicroscope）是最早達到原子解析度，也就是最早能看得到原子

尺度的顯微鏡。只是要用FIM看像，樣品得先處理成針狀，可不是粗針、細針都行喔，針的末端曲率半徑約在200~1000埃。（1埃=10^-10米）把樣品置於真空極佳的空間中，藉由和低溫物的接觸將其溫度降到液態氮的溫度以下。在空間中放入成像氣體，可能為He、Ne、Ar等氣體，視不同樣品而定。等以上這些看像的事前工作都準備好，我們才加給樣品正高壓使附著在樣品上的成像氣體解離成帶正電的陽離子，帶正電的氣體離子接著被電場加速射出，打到接收器訊號被放大，以電子射到螢光螢幕，我們就能在螢幕上看到一顆一顆的原子亮點囉！

離子顯微鏡

演進

FIM是1956年Erwin W. Mueller發明。由FEM(Field Emission Microscope）發展來的。FEM的樣品同樣也得作成針狀，在真空的環境中成像，不過樣品上我們加的是負的高壓，樣品達到足夠的負高壓時，會放出電子打到螢光幕產生亮點，而這個亮點代表的並非一顆原子，是樣品上一片區域，這個區域電子在同樣的負高壓作用下都會射出電子。因為電子在橫向上 （和樣品表面平行的方向） 速度分量造成繞射的情況，使得FEM的解析度只能達到20到25埃（要看到原子解析度至少要小於1埃）。Erwin W. Mueller做了什麼事改善了解析度呢？他加了成像氣體用正高壓使其解離成陽離子，並被加速射到螢幕，成像氣體比電子重，而且在低溫的情況下，其橫向速度分量小多了，提高了解析度，FIM便如此產生了！在此最初的FIM之後，有人對影像明暗對比、真空情況、樣品冷卻處理等方面漸漸改善，使得其功能愈來愈良好。

離子顯微鏡

其它顯微鏡

到了1970年，又有新的看得到原子的顯微鏡出現，SEM(Scanning Electron Microscope）只是它只能看到重原子。1983年又有STM(Scanning tunneling Microscope）此種顯微鏡的樣品便不再只限制成針狀，可用來看像的樣品範圍更大了。另外還有TEM，樣品要切成一片很薄的膜，技術上比較困難，而且會將樣品結構破壞，價錢亦較昂貴。雖說原子解析技術不再被FIM獨占，但能有與多的研究或實驗需要靠FIM才能做，像是單獨原子，或單一原子團在特定的表面之原子運動過程。這些可都一定少不了FIM的！

離子顯微鏡

FIM以及APFIM不僅可用於觀察固體表面原子的排列，研究各種晶體缺陷（空位、位錯以及晶界等），而且利用場蒸發還能觀察從表面到體內的原子的三維分布狀況。早期的FIM研究，主要著重於金屬表面的結構缺陷，合金的晶界，偏析以及有序－無序相變和輻照損傷等。已逐步擴展到表面吸附、表面擴散、表面原子相互作用以及由溫度或電場誘導的各種表面超結構的研究（由於APFIM的出現，各種FIM研究都已進入定量化階段。

場電離和場蒸發

金屬中的自由電子由於受到表面勢壘的作用而被封閉在金屬內部，成像氣體原

子內部的電子由於其電離勢壘的影響也被封閉在原子內部，一旦勢壘的寬度變窄，由於隧道效應，電子就會躍過勢壘而逸出。通常情況下，由於氣體原子中電子的能級比金屬的費米能級低很多，所以從外部獲得的能量不足以把電子激發到較高的能級，此時不容易產生電子隧道效應。然而，當成像氣體原子距離金屬表面比較近時，金屬樣品上所加的很高的正電壓，在外部空間就產生一個強電場，使得成像氣體原子的能級上升，當成像氣體原子的能級和金屬樣品原子的能級高度相同的時候，樣品表面的原子和成像氣體之間的勢壘變得很窄，電子就從成像氣體原子向金屬樣品表面隧穿，於是成像氣體就帶上了正電荷，發生了場電離。但是要使得成像氣體原子發生場電離，就必須在金屬樣品上加上很高的電壓，這樣表面原子就受到很強的靜電力，當靜電力大於表面原子與次外層原子之間的結合力時，表面原子就被強大的電場拉出樣品表面，這種表面原子在強電場的作用下的逃逸過程，稱為場蒸發。由各種方法製取的樣品從原子層次來看，其表面十分粗糙，不適合做基準表面進行直接觀察，但是利用場蒸發的自調節性，在強電場下，樣品表面凹凸不平部位的原子將被強電場優先蒸發掉，同時也可以清除掉附著在樣品表面的氣體原子，獲得原子級的高清潔表面。同時利用場蒸發還可以實現對樣品表面原子的逐個、逐層的剝離，使得FIM不僅適用於研究表面，而且可以通過場蒸發依次把表層剝離，同時裡層變為表層而達到對體結構的研究目的。但是在利用場蒸發獲得高清潔的樣品表面的同時，也不同程度的破壞了樣品的表面結構。

離子顯微鏡

離子顯微鏡

基本結構

場離子顯微鏡（FIM）的基本構造比較簡單，儀器體積也不是很龐大。通常，場離子顯微鏡（FIM）設定在一個真空度為10-9Too：的高真空腔內，然後在真空腔內充入溫度為20-SOK左右壓強約10-5Toor的成像氣體He（氦）或Ne（氖）。尖銳的針尖樣品設定在真空腔內，通有十1OKV左右的正偏壓，這樣針尖上就形成了強大的電場。在樣品末端的高電場及低溫下，周圍的成像氣體會被極化，吸附在樣

品尖端的球形表面比較突出的原子上其它再被吸引過來的氣體原子則會在已吸附的原子上電離。成像氣體被強電場電離後，受到電場的加速，並、沿著電場的方向飛行到陰極螢光屏上形成針尖末端原子的分布圖像。它是觀察電子源本身的像，完全不需要電子透鏡，所以是一種極為簡單的顯微鏡，僅僅由陰極與陽極（環狀）構成。在沒有外場時，氣體中的電子的勢能曲線，其勢壘是限寬的。能量I是原子的電離能，也就是使原子中的電子激發並逃離原子所需的能量。樣品頂端周圍的氣體原子被強電場極化當樣品上的電勢增高時窄，並被吸引到針尖表面其勢壘在一個方向上變在碰撞過程中，與針尖表面的熱交換使得氣體原子損失部分動能，而被陷入針尖表面附近的強電場區域，於是氣體原子在針尖表面經歷一系列的減幅跳躍，最終氣體原子中的電子通過隧道效應進入針尖.

離子顯微鏡

離子顯微鏡原理

當氣體原子距金屬表面為臨界距離Xc時，此距離下氣體原子中電子的能級恰好與金屬的費米能級重合，這時電子的遂穿率最大（上圖c）：當距離比X。還小時，氣體原子外層電子能級低於金屬的費米能級，由於在金屬內部沒有適宜能量的空能級可容納電子，電子的遂穿效應受Pauli不相容原理所限制。氣體原子電離後成為帶正電的氣體離子。帶正電的氣體離子在電場的作用下沿針尖表面法線方向加速，直到打在螢光屏上，形成能夠反映樣品表面形貌的放大倍數很高的圖像。

並不是針尖表面的所有原子能都成像，

只有位於較為突出位置的原子，其附近的局域電場強度更高，場電離容易在這種較為突出的樣品表面的原子上發生，這種單個原子形成的細離子束在螢光屏上生成相應的像點。對於晶體的針尖樣品來說，屬於這類表面原子的有：處於低指數面的邊緣位置上的原子，以及處在疏排列高指數面的所有原子。FIM映像與極射赤面投影類似。根據環結構的對稱性，可以方便的進行面指數的標定。

計算

按照經典的觀點，當粒子的能量E<V0時，粒子穿過勢壘的機率為零。而當E>V0時，這一機率為1.

隧道效應（Thetunnelingeffect）

當E<Vo時，粒子仍能穿透勢壘的現象就稱為隧道效應。

隧道效應不僅具有理論上（觀念上）的重要意義，而且有重大的套用價值。

離子顯微鏡

晶體隧道二極體，超導隧道結等固體器件都是基於量子隧道效應的原理製成的。掃描隧道顯微鏡（STM）則更是隧道效應的一項巨大技術套用。

STM的原理是基於電子的隧道效應.

金屬中的電子在運動到金屬表面時會受到表面勢壘的阻擋.一般 情況下，電子的動能要大大小於勢壘的勢能.

由於隧道效應，電子仍有一定的幾率穿透表面勢壘的阻擋，因此電子的密度在表面以外按指數衰減（而不是躍變為零！）衰減長度約為1nm。

如將兩塊金屬靠得很近（距離小於1nm），它們表面的電子云就會發生重疊，當在這兩塊金屬間再加一微小電壓，即可觀察到它們之間的隧道電流式中A為常數，S為兩金屬間的距離，φ為樣品表面勢壘的平均高度。（即平均功函式）

離子顯微鏡

由上式可見JT對於S十分敏感。當S變化0.1nm時，JT就有數量級的變化。

若將一塊已知功函式的電極做成針尖作為探針。在另一電極（樣品）表面掃描。表面上小到原子尺度的特徵就顯現為隧道電流的變化。依此即可分辨出表面上分立的原子，揭示出表面上原子的台階、平台和原子列陣。