Кіріспе

Массалық спектрометрмен біріктірілген өрістік ион микроскопы. Атомдық зонд 1967 жылы 14-ші өрістік эмиссия симпозиумында Эрвин Вильгельм Мюллер мен Дж. А. Паниц тарапынан ұсынылды. Ол бір бөлшекті анықтау мүмкіндігі бар өрістік ион микроскопын массалық спектрометрмен біріктірді және алғаш рет құрал металл бетіндегі бір атомның сипатын анықтап, бақылаушының қалауынша көршілес атомдардан бөліп таңдау мүмкіндігін берді. Атомдық зондтар дәстүрлі оптикалық немесе электрондық микроскоптардан өзгеше, себебі ұлғайту эффектісі сәулелену жолын басқару арқылы емес, керісінше, күшті қисайған электр өрісі арқылы қамтамасыз етіледі. Бұл әдіс конструктивті сипатта, бейнелеу және анықтау үшін үлгі бетінен иондарды алып тастайды, үлгі бетінен алынғанда жеке атомдарды байқауға жеткілікті ұлғайту тудырады. Бұл ұлғайту әдісін ұшу уақыты бойынша массалық спектрометриямен біріктіру арқылы электр импульстарын қолдану арқылы буланған иондардың массасы мен заряды арақатынасын есептеуге болады. Материалды біртіндеп буландыру арқылы үлгіден атом қабаттары алынып тасталады, бұл бетті ғана емес, сонымен қатар материалдың ішін зерттеуге мүмкіндік береді. Компьютерлік әдістер үлгінің булану алдындағы үш өлшемді бейнесін қайта құру үшін қолданылады, бұл үлгінің құрылымы туралы атомдық деңгейдегі ақпаратты, сондай-ақ атом түрлерінің ақпаратын ұсынады. Құрал өткір ұшынан миллиардтаған атомды үш өлшемді қалпына келтіруге мүмкіндік береді (үлгі көлемі 10 000 – 10 000 000 нм³ құрайды).

Шолу

Атомдық зонд үлгілері, магниттік линзалар арқылы тікелей линзалаудың орнына, нәтижесіндегі ұлғайтуды тудыратын жоғары қисық электр потенциалын жасау үшін қалыптастырылады. Сонымен қатар, қалыпты жұмыс жағдайында (салалық иондану режимдерінен өзгеше) атомдық зонд үлгіні зерттеу үшін қосымша көзді пайдаланбайды. Керісінше, үлгі бақыланатын тәртіппен (аймақтық булану) буланады, ал буланып шыққан иондар әдетте 10-100 см қашықтықтағы детекторға тиеді. Үлгілердің ине тәрізді геометрияға ие болуы керек және олар TEM үлгісін дайындау электрополировкасы немесе фокустық иондық сәуле әдістері сияқты техникалармен жасалады. 2006 жылдан бері лазерлік импульстік жүйелер коммерциялық қолжетімділікке ие болды, бұл қолданылу аясын тек металл үлгілерден жартылай өткізгіш, керамика сияқты диэлектриктерге және тіпті геологиялық материалдарға дейін кеңейтті. Дайындық көбінесе қолмен жасалады, осылайша жоғары электр өрісін тудыру үшін жеткілікті ұштық радиусы (шамамен 100 нм) жасалады. Атомдық зонд экспериментін жүргізу үшін өте өткір ине тәрізді үлгі жоғары вакуумдық камераға орналастырылады. Вакуумдық жүйеге енгізілгеннен кейін, үлгі криогендік температураға дейін төмендетіледі (әдетте 20-100 К) және ине ұшы ион детекторға бағытталған күйде орналастырылады. Үлгіге жоғары кернеу қолданылады, сондай-ақ үлгіге лазерлік импульс немесе қарсы электродқа жүздеген килогерц жиілікті импульс (әдетте 1-2 кВ) қолданылады. Импульстің үлгіге қолданылуы үлгі бетіндегі жеке атомдардың белгілі бір уақытта ион ретінде үлгі бетінен шығуына мүмкіндік береді. Әдетте, импульстің амплитудасы мен үлгідегі жоғары кернеу компьютермен басқарылады, бұл бір уақытта тек бір атомның иондануын қамтамасыз етеді, бірақ бірнеше ионданулар да мүмкін. Импульсті қолдану мен детектордағы ионды анықтау арасындағы уақыт масса мен заряд арақатынасын есептеуге мүмкіндік береді. Атомдық зондтағы ұшу уақыты әдістерімен есептелген атомдық массаның белгісіздігі материалдағы жеке изотоптарды анықтауға жеткілікті дәлдік береді, бірақ бұл белгісіздік кейбір жағдайларда атом түрлерін нақты анықтауға кедеріл келтіруі мүмкін. Көптеген электрондары алынған әртүрлі иондардың үстіне жатуы немесе булану кезінде күрделі түрлердің пайда болуы сияқты әсерлер екі немесе одан да көп түрлердің ұшу уақытын тым жақын етуіне және нақты анықтау мүмкін болмауына әкелуі мүмкін.

Далалық иондық микроскопия

Далалық иондық микроскопия – бұл өрістік эмиссиялық микроскопияның бір түрі, онда жеткілікті жоғары электр өрісіне (~3–6 В/нм) ұшырағанда өткір ине тәрізді катодтың ұшынан туннельдік электрондар ағыны шығарылады. Ине ұшы фосфор экранына бағытталған, осылайша ұшқыш ұшындағы жұмыс функциясының проекцияланған бейнесі құрылады. Кванттық механикалық эффектілер мен электрондар жылдамдығының бүйірлік өзгерістеріне байланысты бейненің ажыратымдылығы (2–2,5 нм) шектеледі. Далалық иондық микроскопияда ұшқыш криогенмен салқындатылады және оның полярлығы кері қайтарылады. Кескінге түсіру газы (әдетте сутек немесе гелий) төмен қысымда (<0,1 Паскаль) енгізілгенде, ұшқыш ұшындағы жоғары электр өрісіндегі газ иондары өрістік иондануға ұшырайды және ұшқыш ұшындағы атомдардың проекцияланған бейнесін құрайды. Бейне ажыратымдылығы негізінен ұшқыштың температурасына байланысты, бірақ 78 Кельвинде атомдық ажыратымдылыққа қол жеткізіледі.

10 см атомдық зонд

1973 жылы Дж. А. Паниц ойлап тапқан 10 см-лік атомдық зонд – бұл "жаңа және қарапайым атомдық зонд, ол түрлерді жылдам және тереңде анықтауға мүмкіндік береді немесе оның бұрынғылары ұсынған атомдық талдауды қамтамасыз етеді, бұл құралдың көлемі екі литрден аз, онда ұштың қозғалысы қажет емес және бұрынғы конструкцияларға тән булану импульсінің тұрақтылығы және бағыттау мәселелері жойылған". Бұл уақыт-ұшу (TOF) массалық спектрометрін, жақындыққа бағытталған, екі каналды пластина детекторын, 11,8 см дрейф аймағын және 38° көру бұрышын біріктіру арқылы жүзеге асырылды. Далалық эмиттер ұшының төбесінен алынған атомдардың FIM суреті немесе десорбция суретін алуға болады. 10 см-лік атомдық зонд кейінгі атомдық зондтардың, соның ішінде коммерциялық құралдардың алға басушысы деп есептеледі.

Атомдық зондты суретке түсіру

Имиджінг атомдық зонд (IAP) 1974 жылы Дж. А. Паницпен ұсынылды. Ол 10 см-лік атомдық зондтың мүмкіндіктерін қамтиды, бірақ ол [бұрынғы] атомдық зонд философиясынан толыққандай өзгеше. Алдын ала таңдалған иондық бейне дақты құратын беттік түрдің табиғатын анықтауға тырысудың орнына, біз алдын ала таңдалған масса-заряд қатынасының беттік түрлерінің толық кристаллографиялық таралуын анықтауды көздейміз. Енді, егер [детекторды] үздіксіз жұмыс істетудің орнына, булану импульсі үлгіге жеткеннен кейін T уақытында шлюз импульсін қолдану арқылы, қызығушылық тудыратын алдын ала таңдалған түрдің келуімен сәйкес қысқа мерзімге қоссақ. Егер шлюз импульсінің ұзақтығы жақын орналасқан түрлердің арасындағы қозғалыс уақытынан кем болса, тек T бірегей қозғалыс уақытына ие беттік түрлер ғана анықталады және оның толық кристаллографиялық таралуы көрсетіледі. «Имиджінг атомдық зонд» деген атауды 1978 жылы А. Ж. Воу тапты, ал құралды сол жылы Дж. А. Паниц егжей-тегжейлі сипаттады.

Атомдық зонд томографиясы (APT)

Қазіргі заманғы атомдық зонд томографиясы атомдардың жанындағы орналасуын анықтау үшін позицияға сезімтал детекторды, яғни FIM-ді қолданады. АТП идеясы Дж. А. Паництің өрістік десорбция спектрометріне алған патентынан шабыттандырылып, 1983 жылдан бастап Майк Миллер дамытты және 1986 жылы алғашқы прототипімен аяқталды. AMETEK 2007 жылы CAMECA-ны, ал 2010 жылы Imago Scientific Instruments (Мэдисон, Висконсин штаты) компанияларын сатып алды, нәтижесінде компания 2019 жылы әлем бойынша 110-нан астам құрылғысы орнатылған АТП-нің жалғыз коммерциялық әзірлеушісіне айналды. АТП-мен жұмыстың алғашқы онжылдықтары металдарға бағытталған. Дегенмен, лазерлік импульстік атомдық зонд жүйелері енгізілгеннен кейін қолданылу аясы жартылай өткізгіштерге, керамикалық және геологиялық материалдарға, сондай-ақ биоматериалдарға дейін кеңейді. Қазірге дейін АТП қолданылып жасалған биологиялық материалды зерттеудің ең жетілген мысалы – осы зерттеу. Бұл зерттеуде АТП қолданылуы хитон тістеріндегі айналасындағы нанокристалликалық магнетиттегі органикалық талшықтардың химиялық картасын көрсетті, бұл талшықтар көбінесе натрий немесе магниймен бірге орналасқан. Сондай-ақ, адамның тіс эмалі зерттелді.

Далалық булану

Өрістік булану – материалдың бетінде байланысқан атом жеткілікті жоғары және тиісті бағытталған электр өрісінде болғанда туындайтын құбылыс. Электр өрісі – бұл электр потенциалының (кернеудің) қашықтыққа қатысты өзгесуі. Осы шарт орындалған кезде, үлгі бетіндегі жергілікті байланыстың өріс жеңуі жеткілікті болады, соның нәтижесінде атом, әдетте байланысқан бетінен буланып кетеді.

Үлкендеу

Атомдағы ұлғаю, иондардың кішкентай, өткір ұштан радиалды бағытта алыстауының нәтижесінде пайда болады. Содан кейін, алыс қашықтықта иондар күрт ұлғаяды. Бұл үлкейту жеке атомдарға байланысты өріс өзгерістерін байқауға жеткілікті, осылайша өріс ионы және өріс булану режимдерінде жеке атомдарды бейнелеуге мүмкіндік береді. Атомдық зондтың стандартты проекциялық моделі – шар, гиперболоид немесе параболоид сияқты конустық қиманың айналуына негізделген эмитер геометриясы. Осы ұштардың модельдері үшін өрістегі шешімдер жуықтап немесе аналитикалық түрде есептелуі мүмкін. Сфералық эмитердің ұлғаюы ұштың радиусына кері пропорционал, ал тікелей сфералық экранға проекцияланған жағдайда, келесі теңдеуді геометриялық түрде алуға болады. Мұнда rscreen – бұл ұш ортасынан анықтау экранының радиусы, ал rtip – ұштың радиусы. Ұштан экранға дейінгі арақашықтық бірнеше сантиметрден бірнеше метрге дейін болуы мүмкін, сонымен қатар бірдей көру бұрышын қамту үшін үлкендетектің аумағы ұлғаюы керек. Іс жүзінде, қолданылатын ұлғаю бірнеше факторлармен шектеледі, мысалы, булану алдында атомдардың бүйірлік дірілі. Өріс ионы және атомдық зонд микроскоптарының ұлғаюы өте жоғары болғанымен, нақты ұлғаю зерттелетін үлгіге тән жағдайларға байланысты, сондықтан дәстүрлі электрондық микроскоптардан айырмашылығы, ұлғаюды тікелей бақылау мүмкіндігі шектеулі, сонымен қатар алынған бейнелерде электр өрісінің бетіндегі пішіннің өзгеруіне байланысты айтарлықтай өзгермелі ұлғаюлар болуы мүмкін.

Қайта құру

Иондық реттілік деректерінің позициялық сезімтал детектордан алынып, атомдық типтердің үш өлшемді визуализациясына есептеу арқылы түрлендірілуі "қайта құру" деп аталады. Қайта құру алгоритмдері көбінесе геометриялық принциптерге негізделген және әдебиетте көптеген түрлері кездеседі. Қайта құрудың көптеген модельдері ұшты сфералық нысан деп қарастырады және детектордағы орналасуын 3D кеңістіктегі R3 2D бетіне қайта аудару үшін стереографиялық проекцияға эмпирикалық түзетулер қолданады. Иондық реттілік кіріс деректерінің функциясы ретінде, мысалы, иондарды ретке келтіру арқылы, R3 арқылы осы бетті жылжыту арқылы 2D детектордағы орналасуын есептеуге және үш өлшемді кеңістікке орналастыруға болатын көлем жасалады. Әдетте, жылжу беттің өсу осіне симметриялық түрде кеңеюінен тұрады, ал өсу жылдамдығы анықталған және сәйкестендірілген әрбір ионға тиесілі көлеммен анықталады. Бұл соңғы қайта құрылған көлемнің бадминтон шарына ұқсас, дөңгелек конус пішінін алуына себеп болады. Сөйтіп, анықталған оқиғалар эксперименттік өлшемдермен, мысалы, ионның ұшу уақытымен немесе эксперименттік жолмен алынған шамалармен (мысалы, ұшу уақыты немесе детектор деректері) жабдықталған нүктелік бұлт деректеріне айналады. Деректерді өңдеудің осы әдісі жылдам компьютерлік визуализация мен талдауға мүмкіндік береді, деректер нүктелік бұлт түрінде қосымша ақпаратпен ұсынылады, мысалы, әрбір ионның массасының зарядына қатынасы (жоғарыдағы жылдамдық теңдеуінен есептелген), кернеу немесе басқа қосымша өлшенген шама немесе олардан алынған есептеулер.

Деректер ерекшеліктері

Атомдық зонд деректерінің ерекше қасиеті – материал арқылы өтетін бағыттағы жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы, бұл реттелген булану тізбегімен байланысты. Сондықтан, бұл деректер химиялық ақпаратпен бірге атомдық деңгейде өткір жасырылған интерфейстерді бейнелей алады. Дегенмен, булану процесінен алынған деректер физикалық булану немесе иондану процесіне тән артефакттардан бос емес. Булану немесе өрістік иондық бейнелердің маңызды ерекшелігі – атомдық масштабтағы сынама бетінің тегіс еместігіне байланысты деректер тығыздығының жоғары біртекті еместігі. Бұл тегіс еместік ұштың жанындағы аймақта (ұштан атомдық радиус немесе одан кем қашықтықта) күшті электр өрісі градиенттерін тудырады, бұл иондану кезінде иондарды электр өрісінің нормасынан ауыстырады. Нәтижесіндегі ауытқу, осы жоғары қисықтық аймақтарында атомдық террасалардың анықталуын қиындатады және анықтау тығыздығының күшті анизотропиясына әкеледі. Бұл құбылыс беттегі бірнеше атомдар болған жағдайда әдетте «полюс» деп аталады, себебі олар сынаманың кристаллографиялық осьтерімен (FCC, BCC, HCP) және т.б. сәйкес келеді. Атомдық террасаның жиектері ауытқуға себеп болғанда, төмен тығыздықты сызық пайда болады, ол «аймақтық сызық» деп аталады. Бұл полюстер мен аймақтық сызықтар, қалпына келтірілген деректер жиынтығында дерек тығыздығының ауытқуларын тудырады, бұл кейін талдау кезінде қиындықтар тудыруы мүмкін, бірақ бұрыштық үлкейту сияқты ақпаратты анықтау үшін маңызды, өйткені ерекшеліктер арасындағы кристаллографиялық қатынастар көбінесе жақсы белгілі. Деректерді қалпына келтіру кезінде, сынамадан материалдың біртіндеп булануына байланысты, көлденең және тереңдік бойынша қалпына келтіру мәндері жоғары анизотропты болып табылады. Құралдың нақты ажыратымдылығын анықтаудың маңызы шектеулі, себебі құрылғының ажыратымдылығы талданатын материалдың физикалық қасиеттерімен анықталады.

Жүйелер

Бұл әдіс енгізілгеннен бері көптеген конструкциялар құрылды. Қазіргі заманғы атомдық зондтардың алдын қоршаған бастапқы өрістік иондық микроскоптар көбінесе жеке зерттеу зертханалары жасаған шыныдан жасалған құрылғылар болды.

Өнер көрсету

Жиналатын иондық көлемдер бұрын бірнеше мың немесе он мыңдаған иондық оқиғалармен шектелген еді. Кейінгі электроника және құралдарды жетілдіру деректерді жинақтау жылдамдығын арттырды, нәтижесінде жүздеген миллион атомнан тұратын дерек жиынтықтары пайда болды (дерек жиынтығының көлемі 107 нм3). Деректерді жинау уақыты эксперименттік жағдайларға және жиналған иондардың санына қарай үлкен айырмашылықтарды көрсетеді. Эксперименттерді аяқтауға бірнеше минуттан бастап, көптеген сағаттарға дейін уақыт кетеді.

Металлургия

Атомдық зондтар әдетте қорытпа жүйелерін химиялық талдау үшін атомдық деңгейде қолданылады. Бұл, негізінен, кернеулік импульстік атомдық зондтардың осы материалдарда жақсы химиялық және жеткілікті кеңістіктік ақпаратты қамтамасыз етуіне байланысты. Ірі түйірлі қорытпалардан, әсіресе сым тәрізді үлгілерден металл үлгілерін жасау оңай, ал қолмен электрополировкалау әдістері жақсы нәтижелер береді. Содан кейін атомдық зондтар түрлі қорытпалардың химиялық құрамын талдау үшін пайдаланылды. Мұндай деректер қорытпа құраушыларының көлемді материалға тигізетін әсерін анықтау үшін, сондай-ақ қатты фазадағы шөкпелер сияқты қатты күйдегі реакциялардың ерекшеліктерін анықтау үшін өте маңызды. Мұндай ақпаратты басқа әдістермен (мысалы, TEM) талдау қиын болуы мүмкін, себебі құрамын анықтайтын үш өлшемді деректер жиынтығын жасауға кедергі келтіреді.

Жартылай өткізгіштер

Жартылай өткізгіш материалдарды атомдық зондпен талдау көбінесе мүмкін, бірақ үлгіні дайындау қиынға түсуі мүмкін, ал нәтижелерді түсіндіру одан да күрделі болуы ықтимал, әсіресе жартылай өткізгіште әртүрлі электр өрісі күшінде буланатын фазалар болса. Иондық имплантация сияқты қолданыстар жартылай өткізгіш материалдың ішіндегі қоспалардың таралуын анықтау үшін қолданылады, бұл қазіргі заманғы нанометрлік электронды құрылғыларды дұрыс жобалау үшін маңыздырақ болып келеді.

Шектеулер

Материалдар қол жетімді кеңістіктік ажыратымдылықты тікелей анықтайды. Талдау кезінде үлгінің геометриясы бақыланбайды, бірақ проекция мінез-құлқына әсер етеді, сондықтан ұлғайтуды бақылау мүмкіндігі шектеулі. Бұл компьютерлік 3D деректер жиынтығына бұрмалаулар енгізеді. Қызығушылық тудыратын элементтер көлемдік үлгіге қарағанда физикалық жағынан өзгеше жолмен жойылуы мүмкін, проекция геометриясын және қайта құрылған көлемнің ұлғайтуын өзгертеді. Бұл соңғы кескінде күшті кеңістіктік бұрмалауларға әкеледі. Көлемді таңдау мүмкіндігі шектелуі мүмкін. Мұндай шектеулерді жою үшін, уақытты көп қажет етсе де, арнайы дайындық әдістерін, мысалы, фокустық иондық сәулемен дайындауды қолдануға болады. Кейбір үлгілерде (мысалы, оттегі мен күкірт арасында) иондардың қабаттасуы талданатын түрлердің анықсыздығына себеп болды. Бұл сынақ температурасын немесе лазерлік энергияны иондану деңгейін (+, ++, 3+ және т.б.) өзгерту арқылы азайтуға болады. Иондалған топтардың. Кейбір жағдайларда, қабаттасуды статистикалық түрде қалпына келтіру үшін деректерді талдау қолданылуы мүмкін. Төмен молекулалық салмағы бар газдарды (сутек және гелий) талдау камерасынан шығару қиын болуы мүмкін, және олар бастапқы үлгіде болмаса да, үлгіге сіңіп, одан шығуы мүмкін. Бұл кейбір үлгілерде сутектің анықталуын шектеуі мүмкін. Осы себепті, шектеулерді еңсеру үшін дейтерийленген үлгілер қолданылды. Нәтижелер 2D деректерді 3D-ге түрлендіруге қолданылған параметрлерге байланысты болуы мүмкін. Көбірек мәселе тудыратын материалдарда, нақты ұлғайту туралы білімнің жеткіліксіздігіне байланысты дұрыс қайта құру мүмкін болмайды; әсіресе, аймақтық немесе полюстік аймақтарды байқау мүмкін болмаған жағдайда.