क्षेत्र-उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी

क्षेत्र-उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी (एफईएम) आणविक सतह संरचनाओं और उनके इलेक्ट्रॉनिक गुणों की जांच करने के लिए भौतिक विज्ञान में उपयोग की जाने वाली विश्लेषणात्मक तकनीक है। फेम का आविष्कार 1936 में एरविन विल्हेम मुलर द्वारा किया गया था, और यह पहले सतह विश्लेषण उपकरणों में से एक था जो निकट-परमाणु विश्लेषण तक पहुंच सकता था।

परिचय
माइक्रोस्कोपी तकनीकों का उपयोग किसी सतह की वास्तविक-अंतरिक्ष आवर्धित छवियों को बनाने के लिए किया जाता है जो यह दिखाती है कि यह कैसा दिखता है। सामान्य रूप से, माइक्रोस्कोपी जानकारी सतह क्रिस्टलोग्राफी (यानी सतह पर परमाणुओं की व्यवस्था कैसे की जाती है), सतह आकारिकी (यानी सतह को बनाने वाली स्थलाकृतिक विशेषताओं का माप और आकार), और सतह संरचना (तत्वों और यौगिकों की सतह से बना है) से संबंधित है।

क्षेत्र-उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी (एफईएम) का आविष्कार 1936 में इरविन मुलर द्वारा किया गया था। एफईएम में, सतह पर विभिन्न क्रिस्टलोग्राफिक सतह के कार्य फलन में अंतर के आधार पर डिटेक्टर पर एक छवि प्राप्त करने के लिए क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन की घटना का उपयोग किया गया था।

डिजाइन
क्षेत्र-उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी में तेज टिप के रूप में धातु का नमूना होता है और अल्ट्राहाई वैक्यूम में संलग्न प्रवाहकीय फ्लोरोसेंट स्क्रीन होती है। उपयोग की जाने वाली टिप त्रिज्या सामान्यतः 100 एनएम के क्रम की होती है। यह टंगस्टन जैसे उच्च गलनांक वाली धातु से बना होता है। नमूना फ्लोरोसेंट स्क्रीन के सापेक्ष बड़ी ऋणात्मक क्षमता (1-10 kV) पर संघटित किया जाता है, जो 2-7 x 109 V/m के शीर्ष के पास एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है। यह विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों के क्षेत्र उत्सर्जन को चलाता है।

क्षेत्र-उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन क्षेत्र रेखाओं के साथ-साथ संचारण करते हैं और फ्लोरोसेंट स्क्रीन पर चमकीले और गहरे धब्बे उत्पन्न करते हैं, जिससे गोलार्ध उत्सर्जक के क्रिस्टल सतह के साथ एक-से-एक संगतता को उत्सर्जित करते हैं। फील्ड इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन, फाउलर-नॉर्डहेम समीकरण के अनुसार सीमित कार्य फलन के साथ उत्सर्जन वर्तमान दृढ़ता से भिन्न होता है; इसलिए, एफईएम छवि उत्सर्जक सतह के अनुमानित कार्य फलन मानचित्र को प्रदर्शित करती है। सामान्यतः परमाणु रूप से खुरदरे सतह पर निकटता से भरी सतह की तुलना में कम कार्य फलन होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप छवि में उज्ज्वल क्षेत्र होते हैं। संक्षेप में, क्रिस्टल सतह के कार्य-फ़ंक्शन अनिसोट्रॉपी को स्क्रीन पर तीव्रता भिन्नता के रूप में मैप किया जाता है।

आवर्धन अनुपात द्वारा दिया जाता है $$M = L/R$$, जहाँ $$R$$ टिप एपेक्स त्रिज्या है, और $$L$$ टिप-स्क्रीन दूरी है। लगभग 105 का रैखिक आवर्धन से 106 प्राप्त होते हैं। इस तकनीक का सीमित विभेदन 1 - 2 nm के क्रम का है और टिप सतह के समानांतर उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की गति से सीमित है, जो धातु में इलेक्ट्रॉन के फर्मी वेग के क्रम का है।

फॉस्फर स्क्रीन में जांच छेद के साथ एक एफईएम स्थापित करना संभव है और इसके पीछे एक फैराडे कप कलेक्टर सतह से उत्सर्जित विद्युत शक्ति को संगृहीत करने के लिए संभव है। यह तकनीक नमूने पर विभिन्न प्रकार के अभिविन्यासों के लिए अभिविन्यास के साथ कार्य फ़ंक्शन की भिन्नता के मापन की अनुमति देती है। इस स्थिति को एकल-अणु इलेक्ट्रॉन एमिटर्स का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है और फेम का उपयोग करके एकल फुलरीन अणुओं में आणविक कक्षाओं का निरीक्षण करना संभव है।

फील्ड उत्सर्जन के लिए एक बहुत अच्छे वैक्यूम की आवश्यकता होती है, और सामान्यतः अति उच्च वैक्यूम (यूएचवी) में भी, स्वच्छ सतह के कारण उत्सर्जन नहीं होता है। एक विशिष्ट क्षेत्र उत्सर्जक को इसे साफ करने के लिए फ्लैश करने की आवश्यकता होती है, सामान्यतः एक लूप के माध्यम से करंट पास करके जिस पर यह लगा होता है। चमकने के बाद उत्सर्जन धारा उच्च लेकिन अस्थिर होती है। समय के साथ करंट का क्षय होता है और प्रक्रिया में टिप के संदूषण के कारण अधिक स्थिर हो जाता है। इस प्रकार उपयोग के दौरान एफईएम युक्तियों की वास्तविक प्रकृति कुछ अज्ञात है।

एफईएम का अनुप्रयोग उन सामग्रियों द्वारा सीमित है जिन्हें एक तेज टिप के आकार में निर्मित किए जा सकते हैं, और उच्च इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों को सहन कर सकते हैं। इन कारणों से, उच्च पिघलने वाले तापमान (जैसे कि डब्ल्यू, एमओ, पीटी, आईआर) के साथ दुर्दम्य धातु एफईएम प्रयोगों के लिए परमाणु रहित वस्तुएँ हैं। एफईएम का उपयोग ऐडसॉर्प्शन और सतह प्रसार प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए भी किया गया है, जो ऐडसॉर्प्शन प्रक्रिया से जुड़े कार्य-क्रिया परिवर्तन का उपयोग करते हैं।

यह भी देखें

 * परमाणु जांच
 * इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी
 * फील्ड आयन माइक्रोस्कोप
 * सतह विश्लेषण विधियों की सूची