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文档简介

1、场离子显微镜张红敏场离子显微镜原理场离子显微镜（FIM）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。它是从场发射显微镜(FEM)发展而来的,1937年E.W Muller开始研究场发射显微镜,用以研究化学吸附和表面扩散等,但分辨率很差所以不能看到单个原子,而将场离子显微镜与飞行时间质谱连接而构成所谓原子探针场离子显微镜（APFIM）, 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）内原子的成分,场离子显微镜已广泛应用于表面科学及材料科学方面的研究。场离子显微镜将经电化学腐蚀后达到一定曲率半径的针尖样品正对着平板状的荧光屏，为了提高针尖样品的发射稳定性和

2、分辨率, 须将样品冷至液氮、液氢或液氦温度,其次要将镜体内的残余气体抽真空，然后导入He，Ne等稀有气体以及H2等或者它们的混合物作为成像气体。实验时，将针尖加上强正电压，于是在针尖尖端与萤光屏(接地) 之间就产生放射状的电场。由于在针尖部分场强很强，由于量子力学的隧道效应, 成像气体原子很容易被离化，即“场离化”，然后, 气体离子就沿着放射状电场加速到达荧光屏, 在荧光屏上产生与表面原子一一对应的辉点。场离子显微镜的基本原理包括:1.量子力学中电子的隧道效应。它又称势垒贯穿，是指一个运动的电子遇到一个高于电子能量的势垒，按照经典力学，它是不能越过势垒的，但是按照量子力学，可以解出除了在势垒处

3、的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子仍具有一定的概率。它反映了微观粒子的波动性的存在。如图1。 2.电学中导体表面电场与其曲率成正比。即以相同的电压加上相同的导体上，曲率越大,也就是越尖的,导体上电荷越密集，其产生的电场越强。 3.场离化原理。 当气体分子靠近金属或导体样品表面时，强大的正电场改变了气体原子中电荷的分布，气体分子被极化而受电场吸引向针尖飞去。当气体分子相当靠近具有高电场的表面时，气体分子中电子的位能势垒因受导体表面电场的影响而变形，位能势垒宽度渐渐变窄，气体分子中最外层电子可以有机会穿隧而出至导体样品表面时，气体分子即离化成“气体离子”。因为气体离子与导体

4、表面所具有的正电场彼此互相排斥，所以气体离子会沿着电场的方向飞离。当离化现象大量发生时，这些气体离子所造成的离子流会沿着表面电场向外辐射状射出，撞上不远处所置的荧光屏，如图2所示。荧光屏上明暗的分布，代表着离子流的大小，也即导体样品表面上电场的强弱分布；而这些强弱不同的电场是由于导体表面上不同的曲率所造成，在同一平面上只有原子的形状可以造成这些不同曲率的现象。所以荧光屏上明暗的分布，也就是表面上原子形状的放大。故场离子显微镜观察的是表面上原子一颗颗排列的结构，如图3所示的钨的场离子像。所以它是原子尺度的显微镜。参考文献1.任大刚,谢天生.场离子显微镜及钨晶体表面结构观察. 中国科学院金属研究所,

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