场离子显微镜及钨晶体表面结构观察.pdf

第1期电子显微学报场离子显微镜及钨晶体表面结构观察任大刚谢天生(中国科学院金属研究所,沈阳)介绍场离子 显微镜的基本原理及仪器主 要结构和特点描述了场离子显微镜样品的制备,并得到曲率半径为50 0A,表面光洁的钨针尖取得具有原子级 分辫的场离子像,并对钨场离子像反映的晶体表面结构进行了分析引言场离子显微镜(FM I)是一种具有高分辨,高放大倍数且能直接观察固体表面原子的表面研究装置将FM I与飞行时间质谱连接而构成所谓原子探针场离子显微镜(A P F皿),则 既可以直接观察样品表面的原子排 列,又可以鉴别极微区(几个 A)内原 子的成 分因此A P FM I已广泛应用于表面科学及材料科学方面的研究FM I是从场发射显微镜(FEM)发展而来的,1937年,E.wMl ul er开始研究场发射显微镜,用以研究化学吸附和表面扩散等,但分辨较差(2 0一3 0A)所以不能看到样品表面的单个原子1956年Mulle r在样品的尖端施加一个正电压并用液氮冷却样品,在样品周围充入氮成像气体,得到了能够分辨单个原子的场离子像〔’」六十年代中期,随着超高真空技术的发展和像增强器的使用,尤其有原子探针的配合,FM I在应用方面有了很大的发展。

在七十年代许多实验室利用场离子显微镜在表面和材料科学方面做了大量的工作,不仅少数难熔金属,而且像Fe,i N,Cu甚至l A这些常见的金属也能得到好的场离子像最近几年,不但A P FM I仪器方面有新的发展,而且在应用方面也在不断的扩大在表面物理及材料科学方面的 研究不断取得新进展〔“一J」APFM I的应用可以分为两个方面:在金属材料方面包括晶体缺陷、位错观察,界面和晶界偏析及沉淀相析出的研究另一方面是金属表面结构和表面反应,包括表面台阶类型,金属原子在晶体表面的凝聚、迁移、扩散等等仁5 」自198 1年,中国科学院金属研究所和沈阳科学仪器厂共同研制APFM I已应用于材料研究,并进行了钨的FM I观察巨“j,得到了具有原子级分辨的场离子像及其它有关FM I研究工作本文仅介绍场离子显微镜而原子探针将另撰文介绍二、场离子显微镜基本原理〔7〕l}艾 稿fl拟]:198 3年`月21日0 [电子显微学报1985年场离子显微镜是利用场离化原理,在超高真空中液氮温度下,在针 尖状(曲率半径小于10 00A)金属样品上加1 0一3 0k V的正高压,使样品尖端获得很高的场强,足 以使针】 尖周围成像气体分子电离(常用氮气)产生的离子沿 电场线方向打到荧光屏,这样就 得到样品 的场离子像,它直接反映了样品表面的原子排列,亮点对应于表面突出的原子位置。

1.场离子:当足够高的 电场(4一6 v/A)加到尖端,成像气体原子通过隧道效应在针尖表面附近产生电离不存存电场的情况下,气体原子中价 电子的势垒(即电离能)较高,不能产生隧道效应如果在针尖上施加高电场之后,在金属最表面突出原子的部位,场强很高,能使其最近的气体原子势垒降低,原子中电子的能级高于费米能级便产生隧道效应(图la)使原子离化变成正离子由于针尖样品被冷却到接近液态氮温度,成像气体原子首先在针 尖附近极化,然后被吸引到 带正电的针尖表面,极化的气体原子便在低温的针尖表面连续跳跃,并不断的损失其动能而降低振幅,直到在某些特定的表面原子附近的位置上电离(图lb )图la气体原子靠近金属表面 产生隧道效 应场离化示意图,中为功遍数,为金属的化学势图l b成像气体原子在针尖表面场离化后成像的原理 图场吸附原子①表面突出原子心极化气体原子,X`场离化区 这时电子的能级必须高于费米能级,电子才能通过隧道效应进入金属中某些能级 的空位,使得氮原子发生电离,电离仅仅发生在距离原子表面临界距离X因此,电场引起势垒降低一 可表达为:一,二_e21._ e r凡=`一中一丁双十万(“i1一 “·)卜(1)式中F为场强,0 F为极化场,I为气体原子 电离能,中为金属功含数,al及a.分别为原子和离子极化率。

方程右边第三、四项分别为成像位能,极化能,它们和l相比可忽略不计因此可以近似估计临界距离X二l一小/ eF,如对钨针尖用氮的成像气体,一般F为svA,X2.场离子像的形成:场离子像的实质是针尖上原子级平滑表面不同原子位置场强分布的特征因此场离子像的亮度或衍衬是由表面场电离的总离子流决定,即由离化率决定,小但第l期场离子显微镜及钨晶体表面结构观察1 1和表面电子转移的离化几率有关而且和针尖附近成像气体浓度有关,其基本过程十分复杂C设发生在任何原子表面产生总离子流J为J=GVPe(2,式甲Pe为电子转移几率,G为气体浓度,V是e P不为零的有效体积考虑两个表面位置A和B,其离子流比为:JA/JGAV、Pe、/GBVe PB(3 )假设在平衡状态A和B两位置像衍衬为Y(F)三G^/GB二exp(aF己·6 F/KT·F)(4)式中F《》为两个位置平均场强,6F是两个位置的场强差,a是成像气体原子的极化率,如果以l%场强差代入公式可估计出不 同温度的衍衬为80K:y(还.S V/A )=1.220K:丫(4.5V/A)=2.4SK:丫(4,SV/A)二4.0充分说明低温对像衍衬的重要意义,且和实验观察的结果完全一致。

然而实验发现像衍衬并非一直随电场增加而提高,说明成像气体原子进入电离区的速率与离化区电离状态有关达到某个电压之后像衍衬随电场增加而降低例如钨针尖{1 11 }区场离子像亮度在某个特定电压有一个峰称. 为最佳成像电压(B IV)如图2所示当温度降低时B I V向低电压方向位移3.场离子像的放大倍数和分辨率:在荧光屏上观察到 的场离子像与样品尖之间有一定的距离这个距离应小于离子的平均自由程·通常成像气体压强为工一1 0一,托,其平均自由程十于20 0毫米.因此针尖和荧光屏之间距离设计在4 0一1 20毫米之间任意可调(如图3 夕毗!火毛几 小弋庵、、、`.、一、沪凡.了R一,丫、一’了图2钨( 1 11 )面像亮度S和成像电压(W及温度的关系场离子像放大倍数M二R/吕:-式中R为针尖到荧光屏距离,「为针尖曲率半径,图3针尖和荧光屏之间离子成像示意图v,离子沿飞行方向速度,v t横 向速度,△Yt成像气体电离盘,△Y、荧光屏上电离盘的大小5)p为常数,一般为1.5例如取R=1 00毫米,r=3o 0A,即M=2`1 0“,放大倍数与R和针尖曲率半径密切相关通常把针尖试样的顶端看作为一个理想的光滑半球面,实际上整个半球面上各处的曲率 半径并非相同,常用局部曲率半径表示,因此场离子像的不同部位其放大倍数亦不完全相同。

场离子显微镜像的2 1电户显微学报1985年分辨率定义为样品上最邻近的两个原子投影到荧光屏上的像点正好能够分开,或者测量单个原子所产生像点的直径影响分辨的主要因素有三点:第一是离子 飞行到荧光屏路程中离子的发散第二是离子飞行速度的切向分量、第三是离子波动性的衍射效应当然还有一些其,臼习素,如仪器的真空度,针尖表面附近气体成分变化,空间电荷分布及库伦加勺 影响等等上述仁要因素中第一点和放大倍数有关(即与R有关),第二点和温度有关,要提高分辨J必须尽量降低离子热运动速度,须将针尖冷却到液氦或液氮温度第三点是离子本身固有的特性影响像分辨主要是前两者根据这些因素,可推导出场离子像分辨率为6二6}4(BZ一11/2KeMF)玉 +16(日ZrkT/KeF ){玉(6)式中日为像压缩因子,r为针尖曲率半径,h为普朗克常数,k为波尔兹曼常数,K为几何因子,与所加电压V和场强有关(F=v/Kl ’ )M为成像气体质量,6为针尖L电离盘面积,T为绝对温度上式括号中的第一项是从海森堡测不准关系推导得到,第二项是从分子热运动能横向速度导出从公式可以计算出F IM像的分辨用氦作成像气体,在不同的样品温度下分辨率和曲率半径的关系如图4·吕」所示。

一一洲尸尸忆忆二二代二二 — —{ { { { { 1 00010 0 0 0图sa「M I主要部件示意图 图4场离子像分辨和针尖曲率半径(A)及温度关萦“1.进样 系统,4.像增强器,.冷阱,3.样品架_.反射镜,6.高压输入接头三、场离子显微镜构造场离子显微镜的主要特点是超高真空,低温,高场强及高灵敏度像增强器下面简要介绍FM I主要部件,超高真空系统,冷阱,像增强器,样品架及进样装置等1.超高真空系统:FM I是直接观察单个原子图像,必须要有表面“清洁”针尖,因此需要达到10一“,或10刊数量级 的无油超高真空 系统而且这个真空 系统能够经受2 00℃第1期场离子显微镜及钨晶体表面结构观察1.“的烘烤我们采用的是分子泵一升华泵一离子泵 系统分子泵不但用作前级低真空抽气而且也用作抽除成像气体在FM I中升华泵是 十分必要的,因为在充入成像气体后,离子泵已关闭,升华泵连续工作,可保持系统处于高真空度真空系统及FM I各部件安排如图5所示,图中1为进样系统,2为冷一阱,3为样品架,4为像增强器,5为反射镜,6为高压输入头图s b为仪器实际照片,右边管导为AP飞行管道2.冷阱:要获得高分辨的场离 粗O2.0妥 一24Q2 00,,叮 .0乡 0图6样品冷 却曲线,温度( K),时间(M)。

子像,必须将样品冷却到尽可能低的温度,一般用液氦或液氮冷却样品,也可用致冷器冷却为使低温有效地传导到样品架上,冷阱的下部由无氧铜构成,并且要求样品架自由转动,冷阱和样品架之间采用软联接,将铜辫子两端分别焊在找阱底部及样品架上我们采用液氮冷却样品其温度接近8 5K,样品冷却曲线如图6所示3.像增强器:场离子像的亮度是很微弱的,通常成像气体压力为10巧托,这时荧光屏上每个亮点的离子流大约是10一’ `安培因此如果用普通的荧光屏进行图像观察,照像时间需要几分钟甚至几十分钟,要得到分辨很好的场离子像是十分 困难的所以像增强器用于场离子显微镜是十分必要的像增强器也叫电子倍 增通道板,是一种离子一电子转换器件它的构造是一个紧密堆积在一起的毛细管组件每个毛细管是一个通道,直径是25如、,长lm m,目前最大的通道板的直径为9 0毫米,厚为1毫米,两面都镀有导电层被场离化的成像气体离子进入通道的内壁,经多次碰撞产生二次电子,二次电子通过通道后被电场加速并且倍增电子的增益决定于施加在通道板上的电压,一般为1 0’一1 0`通道板从几何上 看灵敏面积约为60%,每个通道与法线方向倾斜约10防止离子直接通过通道。

从通道板出来具有一定能量的电子打在荧光屏上,荧光屏紧靠通道板可 以消除图像畸变我们仪器中通道板距荧光屏为1毫米荧光屏是一块平面玻璃,大小与通道板相同,它的表面先镀上导 电层( Sn02或n I合金薄膜),然后镀上一层很薄的发光效率较高的荧光粉像增强器中心有一个直径为2毫米的小孔,供作原子探针用如图7所示整个像增强器安装在一个能和样品针尖相对移动的支架上图7 b,移动范围为4 0一12 0毫米,不但可以任意改变场离子像的放大倍数,而且对作AP也有很重要的作用4.样品架:FM I样品架是一个比较复杂的部件为观察到针尖表面各区域的场离子像,要求样品架能在水平垂直两个方向移 动,而且还能够旋转一定的角度样品支架具有能够承受3 0 k V高压的绝缘性能和有 良好的冷却效果,丫2飘图7像增强器装制原理及结构1.电子倍增通道板2.荧光屏电子显微学报1859年并且还要满足原子探针输入高压脉冲的要求为此我们采用五个自由度的样品架,并且能在超高真空中比较灵活地操作样品支架如图8所示,图中1为屏蔽铜套起冷屏蔽作用2为热传导优良的铜辫子接头,3为兰宝石,在低温时有良好的导热性和绝缘性( 1OWm /m ),4为固定样品杆的铜棒,5为薄壁不锈钢管可减少热传导,6为样品。

直直翼翼翼翼翼翼翼翼图8样品支架示意图1.铜屏蔽套,. 2铜辫连接头,3.兰宝石,4.固定样品棒,5.薄壁不锈钢管,6.样品5.进样系。