Microscopio de iones de campo

Imagen del microscopio de campo del extremo de una aguja de platino agudo. Cada mancha brillante es un átomo de platino.

El microscopio de iones de campo (FIM) fue inventado por Müller en 1951. Es un tipo de microscopio que se puede utilizar para obtener imágenes de la disposición de los átomos en la superficie de una punta de metal afilada.

El 11 de octubre de 1955, Erwin Müller y su Ph.D. estudiante, Kanwar Bahadur (Universidad Estatal de Pensilvania) observó átomos de tungsteno individuales en la superficie de una punta de tungsteno puntiaguda enfriándola a 21 K y empleando helio como gas de formación de imágenes. Müller &erio; Bahadur fueron las primeras personas en observar átomos individuales directamente.

Introducción

En FIM, se produce una punta de metal afilada (<50 nm de radio de punta) y se coloca en una cámara de ultra alto vacío, que se rellena con un gas de formación de imágenes, como helio o neón. La punta se enfría a temperaturas criogénicas (20–100 K). Se aplica un voltaje positivo de 5 a 10 kilovoltios a la punta. Los átomos de gas adsorbidos en la punta son ionizados por el fuerte campo eléctrico en la vecindad de la punta (por lo tanto, 'ionización de campo'), se cargan positivamente y son repelidos desde la punta. La curvatura de la superficie cerca de la punta provoca un aumento natural: los iones son repelidos en una dirección aproximadamente perpendicular a la superficie (un efecto de "proyección puntual"). Se coloca un detector para recoger estos iones repelidos; la imagen formada a partir de todos los iones recogidos puede tener una resolución suficiente para obtener imágenes de átomos individuales en la superficie de la punta.

A diferencia de los microscopios convencionales, donde la resolución espacial está limitada por la longitud de onda de las partículas que se utilizan para obtener imágenes, el FIM es un microscopio de tipo proyección con resolución atómica y un aumento aproximado de unos pocos millones de veces.

Diseño, limitaciones y aplicaciones

FIM, como la microscopía de emisión de campo (FEM), consta de una punta de muestra afilada y una pantalla fluorescente (ahora reemplazada por una placa multicanal) como elementos clave. Sin embargo, hay algunas diferencias esenciales de la siguiente manera:

1. El potencial de punta es positivo.
2. La cámara está llena de un gas de imagen (típicamente, Él o Ne a las 10^{; 5 -} a 10⁻³ Torr).
3. La punta se enfría a bajas temperaturas (~20-80K).

Al igual que FEM, la intensidad del campo en el vértice de la punta suele ser de unos pocos V/Å. La configuración experimental y la formación de imágenes en FIM se ilustran en las figuras adjuntas.

FIM puesta en marcha experimental.

Proceso de formación de imagen FIM.

En FIM, la presencia de un campo fuerte es fundamental. Los átomos de gas de formación de imágenes (He, Ne) cerca de la punta están polarizados por el campo y, dado que el campo no es uniforme, los átomos polarizados son atraídos hacia la superficie de la punta. Los átomos de imagen luego pierden su energía cinética realizando una serie de saltos y se adaptan a la temperatura de la punta. Eventualmente, los átomos de imagen se ionizan mediante la tunelización de electrones en la superficie y los iones positivos resultantes se aceleran a lo largo de las líneas de campo hacia la pantalla para formar una imagen muy ampliada de la punta de la muestra.

En FIM, la ionización tiene lugar cerca de la punta, donde el campo es más intenso. El electrón que hace un túnel desde el átomo es recogido por la punta. Hay una distancia crítica, xc, en la que la probabilidad de efecto túnel es máxima. Esta distancia suele ser de unos 0,4 nm. La resolución espacial muy alta y el alto contraste de las características a escala atómica surgen del hecho de que el campo eléctrico aumenta en la vecindad de los átomos de la superficie debido a la mayor curvatura local. La resolución de FIM está limitada por la velocidad térmica del ion de formación de imágenes. Se puede lograr una resolución del orden de 1Å (resolución atómica) mediante un enfriamiento efectivo de la punta.

La aplicación de FIM, como FEM, está limitada por los materiales que pueden fabricarse en forma de punta afilada, pueden usarse en un entorno de ultra alto vacío (UHV) y pueden tolerar campos electrostáticos elevados. Por estas razones, los metales refractarios con alta temperatura de fusión (por ejemplo, W, Mo, Pt, Ir) son objetos convencionales para los experimentos FIM. Las puntas de metal para FEM y FIM se preparan mediante electropulido (pulido electroquímico) de alambres delgados. Sin embargo, estos consejos suelen contener muchas asperezas. El procedimiento de preparación final implica la eliminación in situ de estas asperezas por evaporación de campo simplemente elevando el voltaje de la punta. La evaporación de campo es un proceso inducido por campo que involucra la remoción de átomos de la superficie misma a intensidades de campo muy altas y típicamente ocurre en el rango de 2-5 V/Å. El efecto del campo en este caso es reducir la energía de unión efectiva del átomo a la superficie y dar, en efecto, una tasa de evaporación mucho mayor en relación con la esperada a esa temperatura con campos cero. Este proceso se autorregula ya que los átomos que se encuentran en posiciones de alta curvatura local, como los adatoms o los ledge atoms, se eliminan preferentemente. Las puntas utilizadas en FIM son más afiladas (el radio de la punta es de 100~300 Å) en comparación con las utilizadas en los experimentos FEM (radio de la punta ~1000 Å).

FIM se ha utilizado para estudiar el comportamiento dinámico de superficies y el comportamiento de adatoms en superficies. Los problemas estudiados incluyen fenómenos de adsorción-desorción, difusión superficial de adatomos y agrupaciones, interacciones adatomo-adatomo, movimiento escalonado, equilibrio de la forma del cristal, etc. Sin embargo, existe la posibilidad de que los resultados se vean afectados por el área de superficie limitada (es decir, efectos de borde).) y por la presencia de un gran campo eléctrico.