फील्ड आयन माइक्रोस्कोप

फील्ड आयन माइक्रोस्कोप (एफआईएम) का आविष्कार 1951 में इरविन विल्हेम मुलर द्वारा किया गया था। यह एक प्रकार का सूक्ष्मदर्शी है जिसका उपयोग किसी नुकीली धातु की नोक की सतह पर परमाणुओं की व्यवस्था की छवि बनाने के लिए किया जा सकता है।

11 अक्टूबर 1955 को इरविन मुलर और उनके पीएचडी छात्र कंवर बहादुर (पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी) ने तेज नुकीले टंगस्टन टिप की सतह पर अलग-अलग टंगस्टन परमाणुओं को 21 केल्विन तक ठंडा करके और हीलियम को इमेजिंग गैस के रूप में नियोजित करके देखा। मुलर और बहादुर पहले व्यक्ति थे, जिन्होंने व्यक्तिगत परमाणुओं को प्रत्यक्ष रूप से देखा।

परिचय
एफआईएम में तेज (<50 nm टिप त्रिज्या) धातु टिप का उत्पादन किया जाता है और अति उच्च वैक्यूम कक्ष में रखा जाता है। जिसे हीलियम या नियोन जैसी इमेजिंग गैस से बैकफिल किया जाता है। टिप को क्रायोजेनिक तापमान (20-100 K) तक ठंडा किया जाता है। टिप पर 5 से 10 किलो वाल्ट का धनात्मक वोल्टेज लगाया जाता है। टिप पर गैस परमाणुओं का सोखना टिप के आसपास के क्षेत्र में शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र द्वारा अयान्वित होता है। इस प्रकार क्षेत्र आयनीकरण धनात्मक रूप से चार्ज हो जाता है और टिप से पीछे हट जाता है। टिप के पास की सतह की वक्रता एक प्राकृतिक आवर्धन का कारण बनती है। आयनों को सतह के लंबवत (एक बिंदु प्रक्षेपण प्रभाव) दिशा में पीछे हटा दिया जाता है। इन प्रतिकर्षित आयनों को एकत्रित करने के लिए संसूचक लगाया जाता है। सभी एकत्रित आयनों से बनी छवि टिप सतह पर अलग-अलग परमाणुओं की छवि के लिए पर्याप्त रिज़ॉल्यूशन की हो सकती है।

परंपरागत सूक्ष्मदर्शी के विपरीत जहां स्थानिक संकल्प इमेजिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले कणों के तरंग दैर्ध्य द्वारा सीमित होता है। एफआईएम परमाणु संकल्प के साथ प्रक्षेपण प्रकार का माइक्रोस्कोप है और कुछ मिलियन गुना अनुमानित आवर्धन है।

डिजाइन, सीमाएं और अनुप्रयोग
एफआईएम जैसे क्षेत्र उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी (एफईएम) में प्रमुख तत्वों के रूप में एक तेज मापदंड टिप और फ्लोरोसेंट स्क्रीन (अब माइक्रोचैनल प्लेट डिटेक्टर द्वारा प्रतिस्थापित) सम्मिलित है। चूँकि कुछ आवश्यक अंतर इस प्रकार हैं: एफईएम की इस प्रकार की टिप एपेक्स पर क्षेत्र की शक्ति सामान्यतः कुछ V/Å होती है। एफआईएम में प्रयोगात्मक समुच्चय-अप और छवि निर्माण को साथ के आंकड़ों में दिखाया गया है।
 * 1) टिप पोटेन्शियल की संभावना धनात्मक है। वेबर इमेजिंग गैस से भरा होता है। (सामान्यतः He या Ne 10−5 से 10-3 टोर्र)।
 * 2) टिप को कम तापमान (~20-80K) तक ठंडा किया जाता है।



एफआईएम में शक्तिशाली क्षेत्र की उपस्थिति महत्वपूर्ण है। टिप के पास इमेजिंग गैस परमाणु (He, Ne) क्षेत्र द्वारा ध्रुवीकृत होते हैं। चूंकि क्षेत्र गैर-समान है। ध्रुवीकृत परमाणु टिप सतह की ओर आकर्षित होते हैं। इमेजिंग परमाणु तब अपनी गतिज ऊर्जा खो देते हैं। जब हॉप्स की श्रृंखला का प्रदर्शन करते हैं और टिप तापमान को समायोजित करते हैं। अन्त में जिंग परमाणुओं को सतह में टनलिंग इलेक्ट्रॉनों द्वारा आयनित किया जाता है और परिणामी धनात्मक आयनों को मापदंड टिप की अत्यधिक आवर्धित छवि बनाने के लिए स्क्रीन पर फील्ड लाइन के साथ त्वरित किया जाता है।

एफआईएम में आयनीकरण टिप के पास होता है। जहां क्षेत्र सबसे शक्तिशाली होता है। इलेक्ट्रॉन जो परमाणु से सुरंग बनाता है। टिप द्वारा उठाया जाता है। एक महत्वपूर्ण दूरी xc है। जिस पर सुरंग खोदने की संभावना अधिकतम है। यह दूरी सामान्यतः लगभग 0.4 nm होती है। परमाणु मापदंड पर सुविधाओं के लिए बहुत उच्च स्थानिक संकल्प और उच्च विपरीतता इस तथ्य से उत्पन्न होती है कि विद्युत क्षेत्र उच्च स्थानीय वक्रता के कारण सतह परमाणुओं के आसपास के क्षेत्र में बढ़ाया जाता है। एफआईएम का संकल्प इमेजिंग आयन के थर्मल वेग से सीमित है। टिप के प्रभावी शीतलन द्वारा 1Å (परमाणु संकल्प) के क्रम का संकल्प प्राप्त किया जा सकता है।

एफईएम का अनुप्रयोग एफईएम की उन सामग्रियों द्वारा सीमित होता है। जिन्हें तेज टिप के आकार में गढ़ा जा सकता है। अति उच्च वैक्यूम (यूएचवी) वातावरण में उपयोग किया जा सकता और उच्च इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रो को सहन कर सकता है। इन कारणों से उच्च पिघलने वाले तापमान (जैसे W, Mo, Pt, Ir) वाली अपवर्तक धातुएं एफआईएम प्रयोगों के लिए पारंपरिक वस्तुएं हैं। एफईएम और एफआईएम के लिए मेटल टिप्स पतले तारों की इलेक्ट्रो पॉलिशिंग (इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंग) द्वारा तैयार किए जाते हैं। चूँकि इन युक्तियों में सामान्यतः कई तीक्ष्णता (सामग्री विज्ञान) होते हैं। अंतिम तैयारी प्रक्रिया में केवल टिप वोल्टेज को बढ़ाकर क्षेत्र के वाष्पीकरण द्वारा इन विषमताओं को हटाना सम्मिलित है। फील्ड वाष्पीकरण क्षेत्र प्रेरित प्रक्रिया है। जिसमें सतह से ही परमाणुओं को बहुत अधिक क्षेत्र की शक्ति से हटाना सम्मिलित है और सामान्यतः 2-5 V/Å की सीमा में होता है। इस स्थितियों में क्षेत्र का प्रभाव सतह पर परमाणु की प्रभावी बाध्यकारी ऊर्जा को कम करना है और प्रभाव में शून्य क्षेत्रों में तापमान पर अपेक्षा के सापेक्ष बहुत अधिक वाष्पीकरण कर देना है। यह प्रक्रिया स्व-विनियमन है। क्योंकि परमाणु जो उच्च स्थानीय वक्रता की स्थिति में हैं जैसे कि सुइयों के लिए या लेज परमाणु अधिकांशतः हटा दिए जाते हैं। एफईएम प्रयोगों (टिप त्रिज्या ~ 1000 Å) में उपयोग की जाने वाली युक्तियों की तुलना में एफआईएम में उपयोग की जाने वाली युक्तियाँ तेज होती हैं (टिप त्रिज्या 100~300 Å है)।

एफआईएम का उपयोग सतहों के गतिशील व्यवहार और सतहों पर विज्ञापन परमाणु के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए किया गया है। अध्ययन की गई समस्याओं में सोखना विशोषण घटनाएं एडटॉम्स और क्लस्टर्स का सतह प्रसार एडटॉम-एडाटम इंटरैक्शन, स्टेप मोशन, इक्विलिब्रियम क्रिस्टल शेप आदि सम्मिलित हैं। चूंकि सीमित सतह क्षेत्र (अर्थात बढ़ते प्रभाव) से और बड़े विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति से प्रभावित होने वाले परिणामों की संभावना है।

यह भी देखें

 * परमाणु जांच
 * इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी
 * क्षेत्र उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी
 * सतह विश्लेषण विधियों की सूची

संदर्भ

 * K.Oura, V.G.Lifshits, A.ASaranin, A.V.Zotov and M.Katayama, Surface Science – An Introduction, (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003).
 * John B. Hudson, Surface Science – An Introduction, BUTTERWORTH-Heinemann 1992.

बाहरी संबंध

 * Northwestern University Center for Atom-Probe Tomography
 * Microscope Parts need to know.
 * Microscope Parts need to know.