Microscópio iônico de campo

Imagem do microscópio de íon de campo do fim de uma agulha de platina afiada. Cada ponto brilhante é um átomo de platina.

O Microscópio iônico de campo (FIM) foi inventado por Müller em 1951. É um tipo de microscópio que pode ser usado para visualizar a disposição dos átomos na superfície de uma ponta de metal afiada.

Em 11 de outubro de 1955, Erwin Müller e seu Ph.D. O estudante Kanwar Bahadur (Universidade Estadual da Pensilvânia) observou átomos individuais de tungstênio na superfície de uma ponta de tungstênio pontiaguda, resfriando-a a 21 K e empregando hélio como gás de imagem. Muller & Bahadur foram as primeiras pessoas a observar átomos individuais diretamente.

Introdução

No FIM, uma ponta de metal afiada (<50 nm de raio da ponta) é produzida e colocada em uma câmara de ultra alto vácuo, que é preenchida com um gás de imagem, como hélio ou néon. A ponta é resfriada a temperaturas criogênicas (20–100 K). Uma tensão positiva de 5 a 10 quilovolts é aplicada à ponta. Os átomos de gás adsorvidos na ponta são ionizados pelo forte campo elétrico nas proximidades da ponta (portanto, "ionização de campo"), tornando-se carregados positivamente e sendo repelidos da ponta. A curvatura da superfície perto da ponta causa uma ampliação natural - os íons são repelidos em uma direção aproximadamente perpendicular à superfície (um efeito de "projeção pontual"). Um detector é colocado para coletar esses íons repelidos; a imagem formada a partir de todos os íons coletados pode ter resolução suficiente para formar imagens de átomos individuais na superfície da ponta.

Ao contrário dos microscópios convencionais, onde a resolução espacial é limitada pelo comprimento de onda das partículas que são usadas para a imagem, o FIM é um microscópio do tipo projeção com resolução atômica e uma ampliação aproximada de alguns milhões de vezes.

Design, limitações e aplicações

O FIM como o Microscópio de Emissão de Campo (FEM) consiste em uma ponta de amostra afiada e uma tela fluorescente (agora substituída por uma placa multicanal) como elementos-chave. No entanto, existem algumas diferenças essenciais, como segue:

1. O potencial de ponta é positivo.
2. A câmara é preenchida com um gás de imagem (tipicamente, Ele ou Ne em 10^-5 a 10^-3 Torr).
3. A ponta é refrigerada a baixas temperaturas (~20-80K).

Assim como o FEM, a intensidade do campo no ápice da ponta é tipicamente de alguns V/Å. A configuração experimental e a formação da imagem no FIM são ilustradas nas figuras anexas.

Configuração experimental FIM.

Processo de formação de imagem FIM.

No FIM, a presença de um campo forte é crítica. Os átomos de gás de imagem (He, Ne) perto da ponta são polarizados pelo campo e, como o campo não é uniforme, os átomos polarizados são atraídos para a superfície da ponta. Os átomos de imagem então perdem sua energia cinética realizando uma série de saltos e se acomodam à temperatura da ponta. Eventualmente, os átomos de imagem são ionizados por tunelamento de elétrons na superfície e os íons positivos resultantes são acelerados ao longo das linhas de campo para a tela para formar uma imagem altamente ampliada da ponta da amostra.

No FIM, a ionização ocorre próximo à ponta, onde o campo é mais forte. O elétron que sai do átomo é captado pela ponta. Existe uma distância crítica, xc, na qual a probabilidade de tunelamento é máxima. Essa distância é normalmente de cerca de 0,4 nm. A resolução espacial muito alta e o alto contraste para características na escala atômica surgem do fato de que o campo elétrico é aumentado na vizinhança dos átomos da superfície devido à maior curvatura local. A resolução do FIM é limitada pela velocidade térmica do íon de imagem. Resolução da ordem de 1Å (resolução atômica) pode ser alcançada por resfriamento efetivo da ponta.

A aplicação de FIM, como FEM, é limitada pelos materiais que podem ser fabricados na forma de uma ponta afiada, podem ser usados em um ambiente de ultra alto vácuo (UHV) e podem tolerar campos eletrostáticos elevados. Por estas razões, metais refratários com alta temperatura de fusão (por exemplo, W, Mo, Pt, Ir) são objetos convencionais para experimentos FIM. As pontas metálicas para FEM e FIM são preparadas por eletropolimento (polimento eletroquímico) de fios finos. No entanto, essas dicas geralmente contêm muitas asperezas. O procedimento de preparação final envolve a remoção in situ dessas asperezas por evaporação de campo apenas aumentando a tensão de ponta. A evaporação de campo é um processo induzido por campo que envolve a remoção de átomos da própria superfície em intensidades de campo muito altas e normalmente ocorre na faixa de 2-5 V/Å. O efeito do campo neste caso é reduzir a energia de ligação efetiva do átomo à superfície e dar, de fato, uma taxa de evaporação muito maior em relação àquela esperada naquela temperatura em campos nulos. Este processo é auto-regulado, uma vez que os átomos que estão em posições de alta curvatura local, como adatoms ou átomos de borda, são removidos preferencialmente. As pontas usadas no FIM são mais nítidas (o raio da ponta é de 100 ~ 300 Å) em comparação com as usadas nos experimentos FEM (raio da ponta ~ 1000 Å).

O FIM tem sido usado para estudar o comportamento dinâmico de superfícies e o comportamento de átomos em superfícies. Os problemas estudados incluem fenômenos de adsorção-dessorção, difusão de superfície de adatoms e clusters, interações adatom-adatom, movimento de passo, forma de cristal de equilíbrio, etc. No entanto, existe a possibilidade de os resultados serem afetados pela área de superfície limitada (ou seja, efeitos de borda) e pela presença de grande campo elétrico.