_{离子显微镜}

E.W.弥勒于1951年发明的一种分辨率极高(2～3┱)、能直接用于观察金属表面原子的分析装置，简称FIM。FIM(Field Ion Microscope)是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子尺度的显微镜。

中文名

离子显微镜

外文名

离子显微镜

时 间

1951年

简 介

点投影的显微镜

目录

1. 1 简介

2. 2 构造

3. 3 演进

1. 4 其它显微镜

2. 5 场电离和场蒸发

3. 6 基本结构

1. 7 离子显微镜原理

2. 8 计算

FIM是点投影的显微镜，结构很简单。但与通常的高分辨率电子显微镜不同，它成像时不使用磁或静电透镜，是由所谓成像气体的“场电离”过程来完成的。

FIM(FieldIonMicroscope）是最早达到原子分辨率，也就是最早能看得到原子

离子显微镜

尺度的显微镜。只是要用FIM看像，样品得先处理成针状，可不是粗针、细针都行喔，针的末端曲率半径约在200~1000埃。（1埃=10^-10米）把样品置于真空极佳的空间中，藉由和低温物的接触将其温度降到液态氮的温度以下。在空间中放入成像气体，可能为He、Ne、Ar等气体，视不同样品而定。等以上这些看像的事前工作都准备好，我们才加给样品正高压使附着在样品上的成像气体解离成带正电的阳离子，带正电的气体离子接着被电场加速射出，打到接收器讯号被放大，以电子射到荧光屏幕，我们就能在屏幕上看到一颗一颗的原子亮点啰！

演进

FIM是1956年Erwin W. Mueller发明。由FEM(Field Emission Microscope）发展来的。FEM的样品同样也得作成针状，在真空的环境中成像，不过样品上我们加的是负的高压

离子显微镜

，样品达到足够的负高压时，会放出电子打到荧光幕产生亮点，而这个亮点代表的并非一颗原子，是样品上一片区域，这个区域电子在同样的负高压作用下都会射出电子。因为电子在横向上（和样品表面平行的方向）速度分量造成绕射的情况，使得FEM的分辨率只能达到20到25埃（要看到原子分辨率至少要小于1埃）。Erwin W. Mueller做了什么事改善了分辨率呢？他加了成像气体用正高压使其解离成阳离子，并被加速射到屏幕，成像气体比电子重，而且在低温的情况下，其横向速度分量小多了，提高了分辨率，FIM便如此产生了！在此最初的FIM之后，有人对影像明暗对比、真空情况、样品冷却处理等方面渐渐改善，使得其功能愈来愈良好。

其它显微镜

到了1970年，又有新的看得到原子的显微镜出现，SEM(Scanning Electron Microscope）只是它只能看到重原子。1983年又有STM(Scanning tunneling Microscope）此种显微镜的样品便不再只限制成针状，可用来看像的样品范围更大了。另外还有TEM，样品要切成一片很薄的膜，技术

离子显微镜

上比较困难，而且会将样品结构破坏，价钱亦较昂贵。虽说原子解析技术不再被FIM独占，但能有与多的研究或实验需要靠FIM才能做，像是单独原子，或单一原子团在特定的表面之原子运动过程。这些可都一定少不了FIM的！

FIM以及APFIM不仅可用于观察固体表面原子的排列，研究各种晶体缺陷（空位、位错以及晶界等），而且利用场蒸发还能观察从表面到体内的原子的三维分布状况。早期的FIM研究，主要着重于金属表面的结构缺陷，合金的晶界，偏析以及有序－无序相变和辐照损伤等。已逐步扩展到表面吸附、表面扩散、表面原子相互作用以及由温度或电场诱导的各种表面超结构的研究（由于APFIM的出现，各种FIM研究都已进入定量化阶段。

场电离和场蒸发

金属中的自由电子由于受到表面势垒的作用而被封闭在金属内部，成像气体原

离子显微镜

子内部的电子由于其电离势垒的影响也被封闭在原子内部，一旦势垒的宽度变窄，由于隧道效应，电子就会跃过势垒而逸出。通常情况下，由于气体原子中电子的能级比金属的费米能级低很多，所以从外部获得的能量不足以把电子激发到较高的能级，此时不容易产生电子隧道效应。然而，当成像气体原子距离金属表面比较近时，金属样品上所加的很高的正电压，在外部空间就产生一个强电场，使得成像气体原子的能级上升，当成像气体原子的能级和金属样品原子的能级高度相同的时候，样品表面的原子和成像气体之间的势垒变得很窄，电子就从成像气体原子向金属样品表面隧穿，于是成像气体就带上

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了正电荷，发生了场电离。但是要使得成像气体原子发生场电离，就必须在金属样品上加上很高的电压，这样表面原子就受到很强的静电力，当静电力大于表面原子与次外层原子之间的结合力时，表面原子就被强大的电场拉出样品表面，这种表面原子在强电场的作用下的逃逸过程，称为场蒸发。由各种方法制取的样品从原子层次来看，其表面十分粗糙，不适合做基准表面进行直接观察，但是利用场蒸发的自调节性，在强电场下，样品表面凹凸不平部位的原子将被强电场优先蒸发掉，同时也可以清除掉附着在样品表面的气体原子，获得原子级的高清洁表面。同时利用场蒸发还可以实现对样品表面原子的逐个、逐层的剥离，使得FIM不仅适用于研究表面，而且可以通过场蒸发依次把表层剥离，同时里层变为表层而达到对体结构的研究目的。但是在利用场蒸发获得高清洁的样品表面的同时，也不同程度的破坏了样品的表面结构。

基本结构

场离子显微镜（FIM）的基本构造比较简单，仪器体积也不是很庞大。通常，场离子显微镜（FIM）设置在一个真空度为10-9Too：的高真空腔内，然后在真空腔内充入温度为20-SOK左右压强约10-5Toor的成像气体He（氦）或Ne（氖）。尖锐的针尖样品设置在真空腔内，通有十1OKV左右的正偏压，这样针尖上就形成了强大的电场。在样品末端的高电场及低温下，周围的成像气体会被极化，吸附在样

离子显微镜

品尖端的球形表面比较突出的原子上其它再被吸引过来的气体原子则会在已吸附的原子上电离。成像气体被强电场电离后，受到电场的加速，并、沿着电场的方向飞行到阴极荧光屏上形成针尖末端原子的分布图像。它是观察电子源本身的像，完全不需要电子透镜，所以是一种极为简单的显微镜，仅仅由阴极与阳极（环状）构成。在没有外场时，气体中的电子的势能曲线，其势垒是限宽的。能量I是原子的电离能，也就是使原子中的电子激发并逃离原子所需的能量。样品顶端周围的气体原子被强电场极化当样品上的电势增高时窄，并被吸引到针尖表面其势垒在一个方向上变在碰撞过程中，与针尖表面的热交换使得气体原子损失部分动能，而被陷入针尖表面附近的强电场区域，于是气体原子在针尖表面经历一系列的减幅跳跃，最终气体原子中的电子通过隧道效应进入针尖.

离子显微镜原理

当气体原子距金属表面为临界距离Xc时，此距离下气体原子中电子的能级恰好与金属的费米能级重合，这时电子的遂穿率最大（上图c）：当距离比X。还小时，气体原子外层电子能级低于金属的费米能级，由于在金属内部没有适宜能量的空能级可容纳电子，电子的遂穿效应受Pauli不相容原理所限制。气体原子电离后成为带正电的气体离子。带正电的气体离子在电场的作用下沿针尖表面法线方向加速，直到打在荧光屏上，形成能够反映样品表面形貌的放大倍数很高的图像。

并不是针尖表面的所有原子能都成像，

只有位于较为突出位置的原子，其附近的局域电场强度更高，场电离容易在这种较为突出的样品表面的原子上发生，这种单个原子形成的细离子束在荧光屏上生成相应的像点。对于晶体的针尖样品来说，属于这类表面原子的有：处于低指数面的边缘位置上的原子，以及处在疏排列高指数面的所有原子。FIM映像与极射赤面投影类似。根据环结构的对称性，可以方便的进行面指数的标定。

计算

按照经典的观点，当粒子的能量E<V0时，粒子穿过势垒的概率为零。而当E>V0时，这一概率为1.

隧道效应（Thetunnelingeffect）

当E<Vo时，粒子仍能穿透势垒的现象就称为隧道效应。

离子显微镜

隧道效应不仅具有理论上（观念上）的重要意义，而且有重大的应用价值。

晶体隧道二极管，超导隧道结等固体器件都是基于量子隧道效应的原理制成的。扫描隧道显微镜（STM）则更是隧道效应的一项巨大技术应用。

STM的原理是基于电子的隧道效应.

金属中的电子在运动到金属表面时会受到表面势垒的阻挡.一般 情况下，电子的动能要大大小于势垒的势能.

由于隧道效应，电子仍有一定的几率穿透表面势垒的阻挡，因此电子的密度在表面以外按指数衰减（而不是跃变为零！）衰减长度约为1nm。

如将两块金属靠得很近（距离小于1nm），它们表面的电子云就会发生重叠，当在这两块金属间再加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流

离子显微镜

式中A为常数，S为两金属间的距离，φ为样品表面势垒的平均高度。（即平均功函数）

由上式可见JT对于S十分敏感。当S变化0.1nm时，JT就有数量级的变化。

若将一块已知功函数的电极做成针尖作为探针。在另一电极（样品）表面扫描。表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变化。依此即可分辨出表面上分立的原子，揭示出表面上原子的台阶、平台和原子列阵。