Кіріспе
Мюллер 1951 жылы өрістік иондық микроскопты (FIM) ойлап тапты. Бұл микроскоптың бір түрі, ол өткір металл ұшының бетіндегі атомдардың орналасуын бейнелеуге мүмкіндік береді. 1955 жылдың 11 қазанында Эрвин Мюллер және оның Ph.D. студенті Канвар Бахадур (Пенсильвания мемлекеттік университеті) өткір ұшы бар вольфрам ұшының бетінде жеке вольфрам атомдарын 21 К-қа дейін салқындатып, гелийді бейнелеу газы ретінде қолданып байқады. Мюллер мен Бахадур жеке атомдарды тікелей көрген алғашқы адамдар болды.
Кіріспе
FIM-де өткір (<50 нм ұшы радиусы) металл ұшы жасалып, өте жоғары вакуумдық камераға орналастырылады, ол гелий немесе неон сияқты бейнелеу газымен толтырылады. Ұш криогендік температураға (20–100 К) дейін салқындатылады. Ұшқа 5–10 киловольт оң кернеу қосылады. Ұштың бетіне жұтылған газ атомдары ұш маңындағы күшті электр өрісімен иондалады (осылайша, "электр өрісінде иондану"), оң заряд алады және ұштан тебіледі. Ұш маңындағы бетінің қисықтығы табиғи түрде үлкейтуге мүмкіндік береді – иондар бетке шамамен перпендикуляр бағытта тебіледі ("нүктелік проекция" эффектісі). Бұл тебілген иондарды жинау үшін детектор орналастырылады; жиналған иондардың барлығынан құралған бейне ұштың бетіндегі жеке атомдарды бейнелеуге жеткілікті ажыратымдылыққа ие болуы мүмкін. Қалыпты микроскоптардан айырмашылығы, онда кеңістіктік ажыратымдылық бейнелеу үшін қолданылатын бөлшектердің толқын ұзындығымен шектеледі, FIM атомдық ажыратымдылыққа және шамамен бірнеше миллион есе үлкейтуге ие проекциялық типті микроскоп болып табылады.
Құрылымы, шектеулері және қолданулары
FIM, өрістік эмиссиялық микроскопия (FEM) сияқты, негізгі элементтері ретінде өткір үлгі ұшы мен люминесцентті экраннан (қазір көп каналды пластинамен алмастырылды) тұрады. Дегенмен, бірнеше маңызды айырмашылықтар бар: ұшқыштың потенциалы оң. Камера бейнелеу газымен (әдетте, 10−5–10−3 Торрдағы He немесе Ne) толтырылады. Ұшқыш төмен температураға дейін салқындатылады (~20–80 K). FEM сияқты, ұшқыштың ұшындағы өріс күші әдетте бірнеше В/Å құрайды. FIM-дегі эксперименттік орнату және бейне қалыптасуы қоса берілген суреттерде көрсетілген. FIM-де күшті өрістің болуы маңызды. Ұшқышқа жақын бейнелеу газының (He, Ne) атомдары өріспен поляризацияланады, ал өріс біркелкі болмағандықтан поляризацияланған атомдар ұшқыш бетіне тартылады. Бейнелеу атомдары кейін кинетикалық энергиясын жоғалтады, бірнеше секіріс арқылы ұшқыш температурасына бейімделеді. Соңында, бейнелеу атомдары бетке туннельдеу арқылы иондалады, ал пайда болған оң иондар өріс сызықтары бойымен экранға дейін үдетіліп, үлгі ұшының жоғары ұлғайтылған бейнесін құрайды. FIM-де иондалу өріс ең күшті болатын ұшқышқа жақын жерде жүзеге асады. Атомнан туннельдеген электрон ұшқышпен қабылданады. Туннельдеу ықтималдығы максималды болатын xc деген сыни арақашықтық бар. Бұл арақашықтық әдетте 0,4 нм шамасында болады. Атомдық масштабтағы ерекшеліктердің өте жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы мен жоғары контрасты электр өрісінің жергілікті қисықтығының жоғары болуына байланысты, бұл жер бетіндегі атомдардың маңында күшейеді. FIM-нің ажыратымдылығы бейнелеу ионының жылу жылдамдығымен шектеледі. Ұшқышты тиімді салқындату арқылы 1 Å (атомдық ажыратымдылық) деңгейінде ажыратымдылыққа қол жеткізуге болады. FIM-нің FEM сияқты қолданылуы өткір ұш пішінде жасалуы мүмкін материалдармен, жоғары вакуум (UHV) ортасында қолданылуы мүмкін және жоғары электростатикалық өрістерге төзімді материалдармен шектеледі. Осы себептерге байланысты, жоғары балқу температурасы бар отқа төзімді металдар (мысалы, W, Mo, Pt, Ir) FIM эксперименттері үшін жиі қолданылады. FEM және FIM үшін металл ұштары жұқа сымдарды электролиздеу (электрохимиялық полировкалау) арқылы дайындалады. Дегенмен, бұл ұштар әдетте көптеген тегіссіздерді қамтиды. Соңғы дайындау процедурасы ұшқыш кернеуін көтеру арқылы осы тегіссіздерді өрістік булану арқылы жоюды қамтиды. Өрістік булану – бұл өте жоғары өріс күшінде беттен атомдардың алынуын қамтитын, өріспен шақырылған процесс және әдетте 2–5 В/Å диапазонында жүзеге асады. Бұл жағдайда өрістің әсері атомның бетке байланысу энергиясын азайту және сол температурадағы нөлдік өрісте күтілетінге қарағанда булану жылдамдығын едәуір арттыру болып табылады. Бұл процесс өзін-өзі реттейді, өйткені жоғары жергілікті қисықтығы бар атомдар, мысалы, адсорбталған атомдар немесе жартас атомдары, басымдықпен алынып тасталады. FIM-де қолданылатын ұштар FEM эксперименттерінде қолданылатын ұштармен салыстырғанда өткір болады (ұшқыштың радиусы 100–300 Å, ал FEM-де ~1000 Å). FIM беттердің динамикалық мінез-құлқын және беттердегі адсорбталған атомдардың мінез-құлқын зерттеу үшін қолданылды. Зерттелген мәселелерге адсорбция-десорбция құбылыстары, адсорбталған атомдар мен кластерлердің беттік диффузиясы, адсорбталған атомдардың өзара әрекеттесуі, жартастардың қозғалысы, тепе-теңдік кристалдық пішін және т.б. жатады. Дегенмен, нәтижелерге бетінің шектеулі ауданы (яғни жиек әсерлері) және үлкен электр өрісінің болуы әсер етуі мүмкін. Гюнтер Руппрехтер зертханасының соңғы зерттеуінде, родий нанокристаллының беті, әр түрлі нанометрлік нанофасеттерден тұратын, бөлінген реакциялық наножүйе моделі ретінде, өрістік эмиссиялық микроскопия арқылы зерттелді. Әр түрлі реакция режимдері байқалды, соның ішінде кеңістіктік-уақыттық хаосқа өту де бар. Әр түрлі режимдер арасындағы өтулер жеке нанофасеттер арасындағы диффузиялық байланыстың күшін өзгертетін сутегі қысымының өзгеруінен туындады.
The tip potential is positive. The chamber is filled with an imaging gas (typically, He or Ne at 10−5 to 10−3 Torr). The tip is cooled to low temperatures (~20 80K). Like FEM, the field strength at the tip apex is typically a few V/Å. The experimental set up and image formation in FIM is illustrated in the accompanying figures. In FIM the presence of a strong field is critical. The imaging gas atoms (He, Ne) near the tip are polarized by the field and since the field is non uniform the polarized atoms are attracted towards the tip surface. The imaging atoms then lose their kinetic energy performing a series of hops and accommodate to the tip temperature. Eventually, the imaging atoms are ionized by tunneling electrons into the surface and the resulting positive ions are accelerated along the field lines to the screen to form a highly magnified image of the sample tip. In FIM, the ionization takes place close to the tip, where the field is strongest. The electron that tunnels from the atom is picked up by the tip. There is a critical distance, xc, at which the tunneling probability is a maximum. This distance is typically about 0.4 nm. The very high spatial resolution and high contrast for features on the atomic scale arises from the fact that the electric field is enhanced in the vicinity of the surface atoms because of the higher local curvature. The resolution of FIM is limited by the thermal velocity of the imaging ion. Resolution of the order of 1Å (atomic resolution) can be achieved by effective cooling of the tip. Application of FIM, like FEM, is limited by the materials which can be fabricated in the shape of a sharp tip, can be used in an ultra high vacuum (UHV) environment, and can tolerate the high electrostatic fields. For these reasons, refractory metals with high melting temperature (e. g. W, Mo, Pt, Ir) are conventional objects for FIM experiments. Metal tips for FEM and FIM are prepared by electropolishing (electrochemical polishing) of thin wires. However, these tips usually contain many asperities. The final preparation procedure involves the in situ removal of these asperities by field evaporation just by raising the tip voltage. Field evaporation is a field induced process which involves the removal of atoms from the surface itself at very high field strengths and typically occurs in the range 2 5 V/Å. The effect of the field in this case is to reduce the effective binding energy of the atom to the surface and to give, in effect, a greatly increased evaporation rate relative to that expected at that temperature at zero fields. This process is self regulating since the atoms that are at positions of high local curvature, such as adatoms or ledge atoms, are removed preferentially. The tips used in FIM is sharper (tip radius is 100~300 Å) compared to those used in FEM experiments (tip radius ~1000 Å). FIM has been used to study dynamical behavior of surfaces and the behavior of adatoms on surfaces. The problems studied include adsorption desorption phenomena, surface diffusion of adatoms and clusters, adatom adatom interactions, step motion, equilibrium crystal shape, etc. However, there is the possibility of the results being affected by the limited surface area (i. e. edge effects) and by the presence of large electric field. In a recent study from Günther Rupprechter laboratory examined a rhodium nanocrystal surface using field emission microscopy consisting of different nanometer sized nanofacets as a model of a compartmentalized reaction nanosystem. Different reaction modes were observed, including a transition to spatio temporal chaos. The transitions between different modes were caused by variations of the hydrogen pressure modifying the strength of diffusive coupling between individual nanofacets.