ионный проектор это
(полевой ионный микроскоп), безлинзовый ионно-оптический прибор для получения увеличенного (в 106 —107 раз) изображения поверхности твёрдого тела. Позволяет наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решётке. Представляет собой конусообразную колбу, дно которой покрыто слоем люминофора и служит экраном.
В центре колбы расположен игольчатый электрод (остриё), окружённый кольцевым электродом. Атомы газа, заполняющего прибор, ионизуются в сильном электрическом поле вблизи острия, отдавая ему свои электроны. Образовавшиеся при этом положительные ионы бомбардируют люминесцентный экран, создавая увеличенное световое изображение поверхности острия. Ионные проекторы широко применяются при исследовании атомной структуры поверхности твёрдых тел из металлов, сплавов и соединений.
Схема устройства ионного проектора:
1 – игольчатый электрод; 2 – кольцевой электрод; 3 – экран; 4 – стеклянная колба
Источник: Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.
Источник: phscs.ru
ИОННЫЙ ПРОЕКТОР
(полевой ионный микроскоп, автоионный микроскоп), безлинзовый ионно-оптич. прибор для получения увеличенного в неск. млн. раз изображения поверхности тв. тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2—3 ?, что даёт возможность наблюдать расположение отд. атомов в крист. решётке. И. п. был изобретён в 1951 Э. В. Мюллером (Е. W. Miiller, США), к-рый ранее создал электронный проектор.
Принципиальная схема И. н. показана на рис. 1. Положит. электродом и одновременно исследуемым объектом, увеличенная поверхность к-рого изображается на экране, служит остриё тонкой проводящей иглы. Атомы (или молекулы) газа, заполняющего внутр. объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои эл-ны.
Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 — жидкий водород; 2 — жидкий азот; 3 — остриё; 4 — проводящее кольцо; 5 — экран.
Возникшие положит. ионы приобретают под действием поля радиальное ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциал к-рого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорц. плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит (в увеличенном масштабе) распределение плотности возникновения ионов вблизи острия, отражающее структуру поверхности объекта.Масштаб увеличения m примерно равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r, т. е.
Вероятность полевой ионизации (см. АВТОИОНИЗАЦИЯ) газа в электрич. поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизационного потенциала этой ч-цы. Это значит, что напряжённость поля должна достигать =(2—6)*108 В/см, т.
Вблизи острия электрич. поле неоднородно — над ступеньками крист. решётки или над отдельными выступающими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность полевой ионизации выше и кол-во ионов, образующихся в ед. времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Другим фактором, влияющим на контраст, явл. электронная природа атома; так, напр., в сплаве Со и Pt более электроотрицательные атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны. Ионный ток и, следовательно, яркость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, к-рое в И. п., однако, обычно не превышает 10-3 мм рт. ст.
Разрешающая способность И. п. d находится в обратной зависимости от тангенциальной составляющей скорости иона, т. е., чем меньше кинетич. энергия ч-цы, превращающейся в ион, тем выше б. Поэтому остриё И. п. обычно охлаждают (до 4—78 К). При этом увеличивается аккомодация ч-ц изображающего газа. В сильном электрич. поле атомы газа адсорбируются на участках с наибольшей локальной напряжённостью поля (т. н. полевая адсорбция). Их присутствие даёт возможность получать высокодеталированное изображение (рис. 2), т. к. полевая ионизация изображающих ч-ц облегчается при полевой адсорбции на уже ранее адсорбированных ч-цах.
Рис. 2. Изображения поверхности вольфрамового острия радиусом 950 ? при увеличении в 106 раз в электронном проекторе (о) и в гелиевом ионном проекторе (б) при темп-ре 22К. На первом изображении можно видеть только структуру крист. плоскостей, тогда как с помощью ионного проектора за счёт разрешения отд. атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочную структуру ступеней крист. решетки.
Чем выше потенциал ионизации ч-ц, тем большее разрешение они обеспечивают. (Лучшими изображающими газами явл. Не и Ne.) Однако при этом требуются более сильные электрич. поля, что ограничивает круг объектов И. п. из-за полевого испарения. Примесь к рабочему газу другого снижает величину изображающего поля за счёт понижения порогового поля полевой адсорбции. Часто в И. п. применяют внутренний микроканальный умножитель (МКУ), к-рый конвертирует ионный ток в электронный, многократно его усиливает и обеспечивает яркое изображение на экране. МКУ позволили использовать разнообразные рабочие газы, понижать их давление и тем самым значительно , расширили возможности И. п.
И. п. широко применяется для исследования ат. структуры поверхности металлов, сплавов и соединений. С его помощью определяются параметры поверхностной диффузии отд. атомов и их элем. ассоциатов, при этом выявляются механизмы перемещения, что недоступно др. методам. С помощью И. п. наблюдаются и изучаются двухмерные фазовые превращения; в ат. масштабе исследуются внутр. дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дислокации, дефекты упаковки и др.); исследуются потенциалы межат. вз-ствия, электронные св-ва элементарных поверхностных объектов. Исследования с использованием И. п. привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в поликристаллах.
Сочетание И. п. с масс-спектрометром, регистрирующим отд. ионы, привело к изобретению ат. зонда, расширившего аналитич. возможности прибора.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
ИОННЫЙ ПРОЕКТОР
(полевой ионный микроскоп, автоионный микроскоп) — безлинзовый ионно-оптич. прибор для получения увеличенного в неск. млн. раз изображения поверхности твёрдого тела (чаще металла). С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 0,2-0,3 нм, ято даёт возможность наблюдать расположение отд. атомов в кристаллич. решётке.
И. п. был изобретён в 1951 Э. Мюллером (Е. W. Miiller), к-рый ранее построил электронный проектор. Принципиальная схема И. п. показана на рис. 1. Положит, электродом и одновременно объектом, поверхность к-рого изображается на экране, служит остриё тонкой проводящей иглы.
Атомы (или молекулы) газа, заполняющего объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои электроны. Возникшие положит, ионы приобретают под действием поля радиальное ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциалк-рого отрицателен) и бомбардируют его.
Свечение каждого элемента экрана пропорц. плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит в увеличенном масштабе распределение вероятности образования ионов вблизи острия, отражающее структуру поверхности объекта. Масштаб увеличения mпримерно равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r, т. е. m=R/r.
Вероятность прямой ионизации атома (молекулы) газа электрич. полем оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизац. потенциала этой частицы (см. Ионизация полем). Это значит, что напряжённость поля должна достигать ~(2-6).10 8 В/см, т. е. 20-60 В/нм. Столь сильное поле легко создать у поверхности острия (на расстоянии 0,5-1 нм от неё) при достаточно малом радиусе кривизны поверхности — от 10 до 100 нм. Именно поэтому (наряду со стремлением к большим увеличениям) образец в И. п. изготовлен в виде тонкого острия.
Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 — жидкий водород; 2 — жидкий азот; 3 — остриё; 4 — проводящее кольцо; 5- экран.
Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Др. фактором, влияющим на контраст изображения, является электронная природа атома: так, напр., в сплаве Со и Pt более электроотрицат. атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны. атом «эмитирует» примерно от 10 3 до 10 8 ионов/с, к-рые формируют на экране изображение обычно ~1 мм 2 . Непосредственное фотографирование такого изображения требует времени экспозиции в случае использования водорода или гелия порядка 10- 10 3 с при потенциале на эмиттере от 20 до 4 кВ. Следовательно, для наблюдения и распознавания поверхностей, к-рые нестабильны при приложенном изображающем поле, и фотографирования изображений подобных поверхностей в доли секунды необходимо усиление яркости изображений. -3 мм рт. ст., иначе начинается газовый разряд; а усиленная подача газа может привести к разрушению экрана вследствие бомбардировки. Для получения ярких и контрастных изображений в И. п. используются фотоэлектронные усилители яркости, волоконно-оптич. пластины, микроканальные пластины, а также конвертирование ионного изображения в электронное. ионизация изображающих
Рис. 2. Изображение поверхности вольфрамового острия радиусом 95 нм при увеличении в 10 6 раз в электронном проекторе (a) и в гелиевом ионном проекторе (б) при темп-ре 22 К. На первом изображении можно видеть только расположение разл. кристаллич. плоскостей на поверхности острия; с помощью ионного проектора можно различить атомную структуру ступеней кристаллической решётки (светлые точки на кольцах).
частиц облегчается при полевой адсорбции на ранее адсорбированных частицах. Чем выше потенциал ионизации частиц, тем большее разрешение они обеспечивают. Лучшими изображающими газами являются гелий и неон. Однако при этом требуются более сильные электрич. поля, что ограничивает круг объектов И. п. из-за полевого испарения (см. Десорбция полем).
Примесь к рабочему газу другого снижает величину изображающего поля за счёт понижения порогового поля полевой адсорбции. поверхностной диффузии отд. атомов и их элементарных ассоциатов; при этом выявляются механизмы перемещения, что недоступно для др. методов. С помощью И. п. наблюдают и изучают двухмерные фазовые превращения; в атомном масштабе исследуют внутр. дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дислокации, дефекты упаковки и др.); исследуют потенциалы межатомного взаимодействия, электронные свойства элементарных поверхностных объектов; анализируют объёмы образцов посредством управляемого послойного удаления поверхностных атомов, используя полевое испарение при криогенных темп-pax.
Исследования с применением И. и. привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в поликристаллах. Сочетание И. п. с масс-спектрометром, регистрирующим отд. ионы, привело к изобретению атомного зонда, расширившего аналитич. возможности прибора. Лит.: Мюллер Э., Конь Т., Автоионная микроскопия, пер. с англ., М., 1972; их же. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение, пер. с англ., М., 1980.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Источник: rus-physical-enc.slovaronline.com
Ионный проектор
Вероятность прямой ионизации атома (молекулы) газа электрическим полем оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизационного потенциала этой частицы (смотри Ионизация полем). Это значит, что напряжённость поля должна достигать 20-60 В/нм. Столь сильное поле легко создать у поверхности острия (на расстоянии 0,5-1 нм от неё) при достаточно малом радиусе кривизны поверхности (от 10 до 100 нм). Именно поэтому (наряду со стремлением к большим увеличениям) образец в ионном проекторе изготовлен в виде тонкого острия.
Вблизи острия электрическое поле неоднородно — над ступеньками кристаллической решётки или отдельными выступающими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность ионизации полем выше и количество ионов, образующихся в единицу времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, контрастность изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Другим фактором, влияющим на контраст изображения, является электронная природа атома: так, например, в сплаве Со и Pt более электроотрицательные атомы Pt отображаются как яркие точки, а находящиеся рядом атомы Со не видны.
Изображение, формируемое ионным проектором, характеризуется низкой яркостью. Отдельный выступающий на поверхности образца атом «эмитирует» примерно от 10 3 до 10 8 ионов/с, которые формируют на экране изображение размером обычно около 1 мм 2 . Непосредственное фотографирование такого изображения при использовании водорода или гелия в качестве рабочего газа требует времени экспозиции порядка 10-10 3 с при потенциале на эмиттере от 20 до 4 кВ. Следовательно, для наблюдения и распознавания поверхностей, которые нестабильны при приложенном изображающем поле, и фотографирования изображений подобных поверхностей в доли секунды необходимо усилить яркость изображений.
Повышение плотности ионного тока (а, следовательно, яркости и контрастности изображения) за счёт повышения давления газа и увеличения динамической подачи газа к острию малоэффективно и имеет недостатки. Например, давление обычно не превышает 0,1 Па, иначе возникает газовый разряд, а усиленная подача газа может привести к разрушению экрана вследствие бомбардировки. Для получения ярких и контрастных изображений в ионном проекторе используются фотоэлектронные усилители яркости, волоконно-оптические пластины, микроканальные пластины, а также конвертирование ионного изображения в электронное.
Разрешающая способность ионного проектора δ находится в обратной зависимости от тангенциальной составляющей скорости иона, т. е. чем меньше кинетическая энергия ионизующейся частицы, тем выше δ. Поэтому остриё ионного проектора обычно охлаждается жидким водородом и азотом. В сильном электрическом поле атомы газа адсорбируются на участках с наибольшей локальной напряжённостью поля (так называемая полевая адсорбция).
Их присутствие даёт возможность получать высокодетализированное изображение (рис. 2), т.к. полевая ионизация изображающих частиц облегчается при полевой адсорбции на ранее адсорбированных частицах. Чем выше потенциал ионизации частиц, тем большее разрешение они обеспечивают. Лучшими изображающими газами являются гелий и неон.
Однако при этом требуются более сильные электрические поля, что ограничивает круг исследуемых объектов из-за полевого испарения (смотри Десорбция полем). Примесь к рабочему газу другого газа снижает величину изображающего поля за счёт понижения порогового поля полевой адсорбции.
Часто в ионном проекторе применяют внутренний микроканальный умножитель (МКУ), который конвертирует ионный ток в электронный, многократно его усиливает и обеспечивает яркое изображение на экране. МКУ позволили использовать разнообразные рабочие газы, понижать их давление и тем самым значительно расширили возможности ионного проектора.
Ионный проектор широко применяется для исследования атомной структуры поверхности металлов, сплавов и соединений. С его помощью определяются параметры поверхностной диффузии отдельных атомов и их элементарных ассоциатов; при этом выявляются механизмы перемещения, что недоступно для других методов. С помощью ионного проектора наблюдают и изучают двумерные фазовые превращения; в атомном масштабе исследуют внутренние дефекты в металлах и сплавах (вакансии, атомы в междоузлиях, дислокации, дефекты упаковки и др.); исследуют потенциалы межатомного взаимодействия, электронные свойства элементарных поверхностных объектов; анализируют объёмы образцов, посредством управляемого послойного удаления поверхностных атомов, используя полевое испарение при криогенных температурах.
Исследования с применением ионного проектора привели к радикальному пересмотру представлений о границах зёрен в поликристаллах. Сочетание ионного проектора с масс-спектрометром, регистрирующим отдельные ионы, привело к изобретению атомного зонда, расширившего аналитические возможности прибора.
Лит.: Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия. М., 1972; они же. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М., 1980; Зенгуил Э. Физика поверхности. М., 1990.
Источник: knowledge.su