Автоэлектронная микроскопия

Для получения достаточной интенсивности автоэлектронной эмиссии требуются поля напряженностью (3 – 7)·10⁵ В/м, которые получить достаточно трудно. Поверхности с большой кривизной повышают напряженность поля, поэтому эмиттеры изготовляют в виде сильно заостренных тонких проволочек. Нужные поля могут быть получены при потенциалах порядка от 2 до 5 кВ, когда острия имеют радиус кривизны около 100 нм. Рисунок 10.1.

Расчётная разрешающая способность эмиттеров с радиусом кривизны порядка 10^-5см составляет 2 нм, реальная составляет 3 – 4 нм.

Контраст изображения острия отражает различие эмиссионной способности различных кристаллографических плоскостей.

В частности, можно определить тип и ориентацию кристаллической решётки металла, из которого изготовлено острие.

Рисунок 10.1. 1 - вакуумная откачка; 2 - вывод анод;

3 - экран; 4 - нагревательное устройство; 5 - остриё

Хотя принцип автоэлектронного микроскопа и очень прост, практика работы с ним требует соблюдения весьма жестких условий. Вакуум в колонне должен быть очень высоким по двум причинам:

- во-первых, в большинстве экспериментов необходимо, чтобы эмиттер оставался незагрязненным в течение длительного времени;

-во-вторых, срок службы эмиттера резко уменьшается с увеличением давления. Поэтому нужно давление не ниже 10^-9 Па, чтобы предотвратить быстрое загрязнение и распыление эмиттера.

Для визуального наблюдения или фотографирования эмиссионных изображений плотность тока на экране должна быть не меньше 10^-9А/см². Поскольку расстояние между острием и экраном обычно составляет 1 - 10 см, необходим ток 10^-7А. Для обычного увеличения и средней разности потенциалов 1 - 10 кВ минимальная плотность тока на острие с радиусом кривизны 100 нм равна 10⁶ – 10⁷ А/м². Это исключает применение в качестве материала эмиттера изоляторов или полупроводников.

Расчёт показывает, что при высокой напряженности поля возникают напряжения порядка 10⁸ – 10¹⁰ н/м², что намного больше большинства прочности большинства металлов.

Поэтому методом автоэлектронной эмиссии изучаются образцы из прочных материалов с температурой плавления выше 1300° С.

Методом автоэлектронной микроскопии изучают:

- эмиссию различных кристаллографических плоскостей и рассчитывают работу выхода;

- определяют скорости притупления острия в зависимости от температуры и на основании этих данных вычисляют коэффициент поверхностной диффузии и энергию активации металла;

- определяют поверхностное натяжение;

- выявить отдельные молекулы или их небольшие скопления по ярким пятнам, накладывающимся на основную структуру;

- изучают все виды роста новых фаз;

- изучают металлы, содержащие адсорбированные чужеродные атомы, так как эмиссия зависит от работы выхода, поэтому даже небольшие участки адсорбированных мономолекулярных слоёв заметно изменяют изображение.

Автоэлектронная эмиссия имеет множество других применений, которые основаны на необычных электрических и электронно-оптических свойствах эмиттеров.