Полевая ионизация(ПИМ).
Оппенгеймер теоретически предсказал, что в сильном
электрическом поле имеется конечная вероятность туннельной ионизации атома
Н.
Другими словами, в сильном электрическом поле электрон атома Н имеет
конечное время жизни. Это предсказание было экспериментально подтверждено
в работах Мюллера. Современная точка зрения на ионизацию атома и молекулы
на поверхности в сильных электрических полях в основном разработана Гомером.
Электрон в свободном атоме находится
в потенциальной яме и для его возбуждения требуется приложить энергию Еi,
равную энергии ионизации. В электрическом поле потенциальный барьер снижается
и туннелирование электрона через барьер при определенных условиях может
происходить без возбуждения. Вероятность туннелирования высока только тогда,
когда электрическое поле достаточно для уменьшения барьера до ширины, сравнимой
с длиной волны де Бройля электрона внутри атома.
Ширина проходимого барьера уменьшается по
мере приближения атома к поверхности. Это уменьшение вызвано силами зеркального
изображения или соответствующими обменными и корреляционными взаимодействиями,
которые могут давать вклад в потенциал.
Тем не менее, существует кротчайшее расстояние
хc, на котором атом может быть ионизован полем. На расстоянии < хc ионизации
не происходит(т.к. для металла все под уровнем Ферми закончено, а на расстоянии
< хc уровня основного состояния атома находится ниже уровня Ферми металла).
Таким образом, расстояние, соответствующее максимуму(max) вероятности
прохождения барьера
хc=(Ei-Ф)/eF,
где Ei - энергия ионизации,
Ф - работа выхода поверхности,
F - величина напряженности поля.
{РИСУНОК С ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ЛИСТА}
Для ионизованного атома Не на
Полевая ионизация атомов газа происходит
на расстоянии > хc. Ион, образовавшийся на поверхности, обладает при достижении
экрана энергией, пропорциональной(~) полному ускоряющему напряжению. С
другой стороны, ион, образовавшийся на расстоянии х от поверхности, имеет
энергию, меньшую на
Поэтому измерение распределения ионов по энергии, позволяет определить
место ионизации и одновременно дает информацию о механизме полевой ионизации
и образовании сил зеркального изображения полевых ионов.
Испарение и десорбция полем.
К шероховатому острию прикладывают достаточно
сильное электрическое поле.
Все выступы удаляются полностью саморегулирующимся способом в виде
"+" ионов. Получается идеально гладкая атомарно чистая поверхность. Минимальное
значение F, необходимое для испарения полем при Т=300К составляет ~500МВ/см.
Наибольшие токи будут исходить из области
с наивысшими полями, распределение поля около острия определяется его атомным
строением.(Анизотропия поля будет наиболее заметна для атомов с относительно
малым числом ближайших соседей и наименее заметна для атомов на гладких
плотноупакованных поверхностях). При очень сильных полях картина смазывается.
Оптимальное разрешение достигается в полях, слегка превышающих пороговые,
для наиболее открытых или выступающих частей острия. ("Поле наилучшего
изображения").
ПИМ.
Первый ПИМ был создан в 1951г. и был просто полевым электронным микроскопом
наоборот. Как и в ПЭМ образец изготавливается в виде острия. На острие
"+".
Далее идет ионизация "изобрающего" газа. Таким
методом можно также получить данные об электронной структуре ПС(незаполненных).
Пучок ионов наблюдается на экране. Метод позволяет также получить информацию
о кристаллической структуре твердого тела. Разрешение ~ 3A.
Одним из отраничений метода является то, что
нельзя сильно увеличивать поля для повышения чувствительности, поскольку
при больших F начинается испарение(десорбция).
ПИМ с атомным зондом
Анализ производится путем полевой десорбции тестируемого атомным импульсом
высокого напряжения. Образующийся ион проходит через зондирующее отверстие
и дрейфовую трубку масс-спектрометра к детектору электронного умножителя.
Импульс десорбции запускает развертку осциллографа. Когда ион достигает
детектора, выходной сигнал с него подается на осциллограф. Таким образом,
регистрируемое время пролета иона t до детектора, расположенного на расстоянии
от эмиттера ~ нескольких радиусов острия, отношение массы иона М к заряду
легко вычисляется
Vc - приложенное напряжения.
Обычно делают так Vпост. - испаряющее напряжение, Vимп. - импульс десорбции
для модуляции и Vc=Vпост.+Vимп..