ИО́ННЫЙ ПРОЕ́КТОР

ИО́ННЫЙ ПРОЕ́КТОР (по­ле­вой ион­ный мик­ро­скоп, ав­то­ион­ный мик­ро­скоп), без­лин­зо­вый ион­но-оп­тич. при­бор для по­лу­че­ния уве­ли­чен­но­го в неск. мил­лио­нов раз изо­бра­же­ния по­верх­но­сти твёр­до­го те­ла (ча­ще ме­тал­ла). С по­мо­щью И. п. мож­но раз­ли­чать де­та­ли по­верх­но­сти, раз­де­лён­ные рас­стоя­ния­ми ок. 0,2–0,3 нм, что да­ёт воз­мож­ность на­блю­дать рас­по­ло­же­ние отд. ато­мов в крис­тал­лич. ре­шёт­ке. И. п. изо­бре­тён в 1951 нем. фи­зи­ком Э. В. Мюл­ле­ром, соз­дав­шим ра­нее элек­трон­ный про­ек­тор.

Рис. 1. Схема дуоплазматрона: 1 – катод; 2 – промежуточный электрод; 3 – катушка электромагнита; 4 – анод; 5 – экстрактор; I – катодная плазма; II – анодная п...

Прин­ци­пи­аль­ная схе­ма И. п. по­ка­за­на на рис. 1. По­ло­жи­тель­ным элек­тро­дом и од­но­вре­мен­но объ­ек­том, по­верх­ность ко­то­ро­го изо­бра­жа­ет­ся на эк­ра­не, слу­жит ост­риё тон­кой про­во­дя­щей иг­лы. Ато­мы (или мо­ле­ку­лы) ра­бо­че­го (из­о­бра­жаю­ще­го) га­за, за­пол­няю­ще­го объ­ём при­бо­ра, ио­ни­зу­ют­ся в силь­ном элек­трич. по­ле вбли­зи по­верх­но­сти ост­рия, от­да­вая ему свои элек­тро­ны. Воз­ник­шие по­ло­жи­тель­ные ио­ны при­об­ре­та­ют под дей­ст­ви­ем по­ля ра­ди­аль­ное ус­ко­ре­ние, уст­рем­ля­ют­ся к флуо­рес­ци­рую­ще­му эк­ра­ну (по­тен­ци­ал ко­то­ро­го от­ри­ца­те­лен) и бом­бар­ди­ру­ют его. Све­че­ние ка­ж­до­го эле­мен­та эк­ра­на про­пор­цио­наль­но 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 $m$ при­мер­но 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 ио­ни­за­ци­он­но­го по­тен­циа­ла этой час­ти­цы (см. 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 И. п. из­го­тов­лен в ви­де тон­ко­го ост­рия.

Вбли­зи ост­рия элек­трич. по­ле не­од­но­род­но – над сту­пень­ка­ми кри­стал­лич. ре­шёт­ки или отд. 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. Др. фак­то­ром, влияю­щим на кон­траст изо­бра­же­ния, яв­ля­ет­ся элек­трон­ная при­ро­да ато­ма: так, напр., в спла­ве $\ce{Co}$ и $\ce{Pt}$ бо­лее элек­тро­от­ри­ца­тель­ные ато­мы $\ce{Pt}$ ото­бра­жа­ют­ся как яр­кие точ­ки, а на­хо­дя­щие­ся ря­дом ато­мы $\ce{Co}$ не вид­ны.

Изо­бра­же­ние, фор­ми­руе­мое И. п., ха­рак­те­ри­зу­ет­ся низ­кой яр­ко­стью. От­дель­ный вы­сту­паю­щий на по­верх­но­сти об­раз­ца атом «эми­ти­ру­ет» при­мер­но от 10³ до 10⁸ ио­нов/с, ко­то­рые фор­ми­ру­ют на эк­ра­не изо­бра­же­ние раз­ме­ром обыч­но ок. 1 мм². Не­по­сред­ст­вен­ное фо­то­гра­фи­ро­ва­ние та­ко­го изо­бра­же­ния при ис­поль­зо­ва­нии во­до­ро­да или ге­лия в ка­че­ст­ве ра­бо­че­го га­за тре­бу­ет вре­ме­ни экс­по­зи­ции по­ряд­ка 10–10³ 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 ди­на­мич. по­да­чи га­за к ост­рию ма­ло­эф­фек­тив­но и име­ет не­дос­тат­ки. Напр., 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 И. п. ис­поль­зу­ют­ся фо­то­элек­трон­ные уси­ли­те­ли яр­ко­сти, во­ло­кон­но-оп­тич. пла­сти­ны, мик­ро­ка­наль­ные пла­сти­ны, а так­же кон­вер­ти­ро­ва­ние ион­но­го изо­бра­же­ния в элек­трон­ное.

Рис. 2. Изображение поверхности вольфрамового острия радиусом 95 нм при увеличении в 106 раз в электронном проекторе (a) и в гелиевом ионном проекторе (б) при температуре 22 К. На первом изображении м...

Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность И. п. $δ$ на­хо­дит­ся в об­рат­ной за­ви­си­мо­сти от тан­ген­ци­аль­ной со­став­ляю­щей ско­ро­сти ио­на, т. е. чем мень­ше ки­не­тич. энер­гия ио­ни­зую­щей­ся час­ти­цы, тем вы­ше $δ$ . По­это­му ост­риё И. п. обыч­но ох­ла­ж­да­ет­ся жид­ким во­до­ро­дом и азо­том. В силь­ном элек­трич. по­ле ато­мы га­за ад­сор­би­ру­ют­ся на уча­ст­ках с наи­боль­шей ло­каль­ной на­пря­жён­но­стью по­ля (т. н. 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 элек­трич. по­ля, что ог­ра­ни­чи­ва­ет круг исследуемых объ­ек­тов из-за по­ле­во­го ис­па­ре­ния (см. Де­сорб­ция по­лем). При­месь к ра­бо­че­му га­зу дру­го­го газа сни­жа­ет ве­ли­чи­ну изо­бра­жаю­ще­го по­ля за счёт по­ни­же­ния по­ро­го­во­го по­ля по­ле­вой ад­сорб­ции.

Час­то в И. п. при­ме­ня­ют внутр. 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.

И. п. ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся для ис­сле­до­ва­ния атом­ной струк­ту­ры по­верх­но­сти ме­тал­лов, спла­вов и со­еди­не­ний. С его по­мо­щью оп­ре­де­ля­ют­ся па­ра­мет­ры 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 дву­мер­ные 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 температуpax.

Ис­сле­до­ва­ния с при­ме­не­ни­ем И. п. 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.