फील्ड आयन माइक्रोस्कोप

एक तेज प्लेटिनम सुई के अंत की फील्ड आयन माइक्रोस्कोप छवि। प्रत्येक चमकीला स्थान एक प्लैटिनम परमाणु है।

फील्ड आयन माइक्रोस्कोप (FIM) 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 Ph.D. छात्र कंवर बहादुर (पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी) ने तेज नुकीले टंगस्टन टिप की सतह पर अलग-अलग टंगस्टन परमाणुओं को 21 K 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

FIM 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 किलोवाल्ट का सकारात्मक वोल्टेज लगाया जाता है। टिप पर गैस परमाणुओं का सोखना टिप के आसपास के क्षेत्र में मजबूत विद्युत क्षेत्र द्वारा अयान्वित होता है। (इस प्रकार क्षेत्र आयनीकरण), सकारात्मक 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

FIM जैसे क्षेत्र उत्सर्जन माइक्रोस्कोपी (FEM) में प्रमुख तत्वों के रूप में एक तेज नमूना टिप और फ्लोरोसेंट स्क्रीन (अब माइक्रोचैनल प्लेट डिटेक्टर द्वारा प्रतिस्थापित) सम्मिलित है। चूँकि कुछ आवश्यक अंतर इस प्रकार हैं:

1. बख्शीश की संभावना सकारात्मक है।
2. चैंबर इमेजिंग गैस से भरा होता है (सामान्यतः He या Ne 10⁻⁵ से 10^-3 टोर्र)।
3. टिप को कम तापमान (~20-80K) तक ठंडा किया जाता है।

FEM की तरह, टिप एपेक्स पर क्षेत्र की ताकत सामान्यतः कुछ V/Angstrom|Å होती है। एफआईएम में प्रयोगात्मक सेट-अप और छवि निर्माण को साथ के आंकड़ों में दिखाया गया है।

एफआईएम प्रयोगात्मक सेट-अप।

FIM छवि निर्माण प्रक्रिया।

FIM में मजबूत 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। आखिरकार इमेजिंग परमाणुओं को सतह में टनलिंग इलेक्ट्रॉनों द्वारा आयनित किया जाता है और परिणामी सकारात्मक आयनों को नमूना टिप की अत्यधिक आवर्धित छवि बनाने के लिए स्क्रीन पर फील्ड लाइन के साथ त्वरित किया जाता है।

FIM में आयनीकरण टिप के पास होता है। जहां क्षेत्र सबसे मजबूत 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 एनएम होती है। परमाणु पैमाने 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। FIM 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।

FEM का अनुप्रयोग, FEM की तरह, उन सामग्रियों द्वारा सीमित होता है जिन्हें एक तेज टिप के आकार में गढ़ा जा सकता है, एक अति उच्च वैक्यूम (UHV) वातावरण में उपयोग किया जा सकता है, और उच्च इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्रों को सहन कर सकता है। इन कारणों से, उच्च पिघलने वाले तापमान (जैसे W, Mo, Pt, Ir) वाली अपवर्तक धातुएं FIM प्रयोगों के लिए पारंपरिक वस्तुएं हैं। FEM और FIM के लिए मेटल टिप्स पतले तारों की Electropolishing (इलेक्ट्रोकेमिकल पॉलिशिंग) द्वारा तैयार किए जाते हैं। चूँकि, इन युक्तियों में सामान्यतः कई Asperity (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 एक क्षेत्र प्रेरित प्रक्रिया है जिसमें सतह से ही परमाणुओं को बहुत अधिक क्षेत्र की ताकत से हटाना सम्मिलित है और सामान्यतः 2-5 V/Å की सीमा में होता है। इस मामले में क्षेत्र का प्रभाव सतह पर परमाणु की प्रभावी बाध्यकारी ऊर्जा को कम करना है और प्रभाव में, शून्य क्षेत्रों में उस तापमान पर अपेक्षा के सापेक्ष बहुत अधिक वाष्पीकरण दर 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, अधिमानतः हटा दिए जाते हैं। FEM प्रयोगों (टिप त्रिज्या ~ 1000 Å) में उपयोग की जाने वाली युक्तियों की तुलना में FIM में उपयोग की जाने वाली युक्तियाँ तेज होती हैं (टिप त्रिज्या 100~300 Å है)।

FIM का उपयोग सतहों के गतिशील व्यवहार और सतहों पर adatoms 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। हालांकि, सीमित सतह क्षेत्र (यानी बढ़त प्रभाव) से प्रभावित होने वाले परिणामों की संभावना है। ) और बड़े विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति से।

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
• Photograph of tungsten needle tip imaged through FIM at the Wayback Machine (archived November 22, 2013)
• Microscope Parts need to know.

अग्रिम पठन

• Müller, E.; Bahadur, K. (1956). "Field Ionization of Gases at a Metal Surface and the Resolution of the Field Ion Microscope". Physical Review. 102 (3): 624. Bibcode:1956PhRv..102..624M. doi:10.1103/PhysRev.102.624.
• Muller, E. W. (1965). "Field Ion Microscopy". Science. 149 (3684): 591–601. Bibcode:1965Sci...149..591M. doi:10.1126/science.149.3684.591. JSTOR 1716643. PMID 17747566.