场致发射显微镜(FEM)

1、 场致发射显微镜（FEM）一 场致发射研究的历史回顾场致发射发现于1897年。1992 年LIlienfeld用尖端阴极作x 射线管的电子源。1828年弥勒和诺德海姆用波动力学解释场致发射, 为场致发射理论奠定了基础。1940 年电子显微镜发明之后, 弥勒-诺德海姆场致发射公式才得到准确的实验。证1937年Muller 引进场致发射显微镜的概念, 用它观察尖端的场发射图像, 可以了解晶体排列,研究外来原子在金属表面的吸附和解吸, 以及吸附原子在金属表面的迁移等现象。1941年 Muller 又发现吸附原子在强负电场作用下的解吸现象, 这导致1951年设计出场离子显微镜。1967 年场离子显微镜

2、发展到原子探针的阶段, 用它可以检查场离子图上任意一点的质谱性质。在四十年代末期, 为了给积极发展的微波管提供有效的电子发射源, 开始了对场发射阴极的系统研究, 包括对极限电流密度、场发射电流稳定性、“ 热” 场致发射等的研究。五十年代由于超高真空技术的发展, 在Dyke及其同事的努力下, 稳定的场致发射已经基本上可以实现。他们采用多尖端阴极, 并将它首先应用于脉冲（闪光）x光管中，以后发展为商用的场发射x光管（Fexirton）和场发射电子注管（Febetron）。在六十年代初期, 有人提出用大功率电子注来加热原子核使之达到产生热核聚变的温度, 因此开始建立了许多大功率脉冲电子注加速器。这种

3、加速器在几百千伏到10兆伏的脉冲加速电压下, 从尖端或刀口阴极发射104A106A 的电流, 电子注的脉冲功率达10141013W。这种电子注称为相对论性强流电子注, 除了可以产生高强度闪光x射线外, 还可以产生大功率激光、大功率激波、毫米波、亚毫米波, 模拟辐射效应, 还可能用于等离子体加热、约束等离子体、电子注聚变等方面。这时阴极发射的机理和一般场发射不同, 称等离子体场发射, 苏联称之为爆发电子发射。随着六十年代末期扫描电子显微镜和表面物理分析仪器的蓬勃发展, 要求有高亮度，细小直径的电子束。尖端场发射阴极接近一个点源, 电流密度大, 电子初速零散小, 容易聚焦成细束, 逐渐应用于上述仪

4、器的电子枪中。70年代末,Gomer利用探孔FE从创立了“涨落法”.使FEM在研究表面物理领域中成为重要的研究手段之一。二 场发射显微镜（FEM）原理 图1 是场发射显微镜的结构原理图，泡中尖端状的样品被固定在加热丝上，位于球形玻壳的中心，作为场电子发射阴极，表示为K。玻壳窗口的内壁先蒸涂上一层透明的导电层（通常为二氧化锡），然后涂敷上荧光粉，制成高发光效率的荧光屏S。导电层与电极A相连接，作为阳极。在电极A与K之间加正电压。若阴极尖端表面是球形，从阴极表面不同位置场致发射的电子将沿着同心球的半径方向运动，最后打在荧光屏上。这样，在荧光屏上就显示出来阴极（样品）尖端发射电子能力的像。而场发射电

5、流密度与逸出功E（）和电场强度有指数关系，因此场发射体针尖表面的逸出功不同或场强不同，都将引发射电流密度的变化。除了不同晶面有不同逸出功外，吸附外来原子或存在缺陷的表面态也将引发逸出功的变化;增减表面的粗糙也将引起局部电场的改变。因此，针尖尖端电子发射将与上述因素有关。场发射显微镜所用的针尖是用多晶的线状材料，经过腐蚀加工制成。通常情况下，其场电子发射部分是单晶，由于尖端尺寸很小，往往小于多晶晶粒大小，而且球面暴露部分多是低表面能平台。实际制成样品的针尖存在柱形或锥形的径部结构，因此针尖表面场强偏离小球体系，可表示为=V/(r) （1.1）式中的是与针尖结构有关的参数。由式1.1可知，对于曲率

6、半径r=1000埃的针尖，阴极加上25KV的正电压，在针尖表面就可以得到足够产生场致电子发射的电场强度。对于金属样品得到更小的曲率半径是容易的。场致显微镜的理想放大倍数可表示为M=R/r (1.2)式中R是荧光屏的半径，r是样品尖端的曲率半径，实际发射体针尖径部的柱形或锥形结构，不仅减小了场强，而且使电力线向轴向压缩，结果实际放大倍数为 M=R/r （1.3）式中压缩系数取值为1.52.通常图像是轴向对称的，在荧光屏上发射体几乎是均匀的。线性放大倍数的数量级为105106.三 场发射显微镜结构对于场发射显微镜研究的两种设备的设计：一种是封闭式显微镜，它整个浸没在液氦或液氢中；另一种是有Mull

7、er为场离子发射研究而首先设计的连续抽气管。 1 完全浸没管 2 连续抽气管蔡司场致发射显微镜 场离子显微镜图像的钨干净的表面上的位置不同的晶面方向（110）。 四 场发射显微镜的应用利用场发射显微镜可以判断尖端材料是否纯净，判断的标准是发射图像和尖端的加热处理温度无关。反之，如尖端材料含有杂质（如C，Si），则尖端在经过高温闪炼后（这时表面杂质暂时都蒸发掉），如适当降低温度，则可观察杂质从内部向表面扩散的发射图像。从纯金属尖端的发射图像可确定各晶面的逸出功。场发射显微镜是研究吸附现象的有效方法。因为吸附现象总是伴随着逸出功的变化，而逸出功决定发射电流密度。在场发射显微镜荧光屏上可以看到在单晶

8、上各向异性的吸附图像。用场发射显微镜研究吸附十分形象化，而且可以分辨到接近原子尺寸。这个方法还有一个特点，就是吸附的研究可以很方便的在很大的温度范围内进行。最早研究Ba，Th在钨尖上的吸附，他直接与热阴极的工作有关，研究说明表面迁移对发射机理起很重要的作用。图6-27给出了在钨表面的发射图像。碳在钨尖上的吸附具有特征图像。例如由于分解有机物或蒸发碳丝使碳吸附在钨表面，当把钨尖加热到1000K以上时，由于表面迁移，（110）和（121）面周围发射增加（被认为是钨基底重新排列形成凸面），而（343）面则为暗区，如图6-28所示，这个图像可以判断有无少量的有机物存在。关于用场发射显微镜观察分子和原子

9、的图像问题。当尖端表面吸附直径较大的原子或分子时，如表面覆盖率很低，则图像表现出颗粒结构，穆勒认为这是原子或分子的现象。如钡在钨尖的吸附，当覆盖度小于0.1时可观察到颗粒结构。根据计算，当钡覆盖度为0.1时，钡原子之间的距离约20A，这和场发射显微镜的分辨率接近。穆勒把少量的钛青铜分子蒸到钨尖上，钨尖发射图像上除出现单亮点外，还观察到很高的“双极”和“四极”斑点。如图6-29.后二者以一个单元出现，有事旋转，有时变为另一种形式，有时在离子的轰击下消失。这些单元很像钛青铜分子的图像。因为根据X射线分析，钛青铜分子是四极分子，其结构如图6-30所示。当然fem也有一定局限性，例如，某些被分析的样品

10、男一直被成曲率半径为0.1um的tip;对原子较为稀疏的晶面或偶极距较大的吸附原子的研究，需考虑tip表面存在强电场的影响。五 空间电荷对FEM图像的影响众所周知,场发射电流密度大,因而场发射电流在尖端前面所形成的空间电荷比较严重.一般讲场强愈弱,空间电荷层愈薄荧光屏上放大图像就愈能反映尖端表面的真实情况.图2给出我们所摄得的在不同场强及对应场发射电流下一组W(110)尖的高分辨力热场发射显15微图(HRTFEM).从照片1可见,当场强在3.6×107V/cm时,场发射电流仅为0.2LA,此时在照片上吸附在钨上的锆原子清晰可见,分辨力优于0.2nm以上.但随着场强的增加,场发射电流很快上升,空间电荷影响也愈来愈严重,尖端直接表面上清晰图形发生严重畸变(照片2,3).当场强增加到2.5×108V/cm时总发射电流已增到900LA,所得的FEM图形已失去表面结构的特征,只能隐约可见代表几个低指数晶面的黑点与亮区.这就是当前一些资料所发表的FEM图形参考文献1 高分辨力热场发射显微镜(HRTFEM)及其应用陈尔纲杨德清窦菊英孙祥乐(云南大学物理系,云南昆明650091)2 Muller E.W., Work function of tungsten single crystal planes measured by the field emission mi