Введение - Применение ионного микроскопа

Ионный микроскоп - микроскоп, в котором для получения изображения применяется создаваемый источником пучок ионов.

По принципу действия ионный микроскоп аналогичен электронному - прошедший через исследуемый объект пучок ионов фокусируется системой электростатических или магнитных линз и дает на экране увеличенное изображение объекта, это изображение может быть сфотографировано. Преимущества: более высокая разрешающая способность - из-за того, что длина волны де Бройля для ионов значительно меньше, чем для электронов, в ионном микроскопе очень малы эффекты дифракции, которые ограничивают разрешающую способность микроскопа, меньшее влияние изменения массы ионов при больших ускоряющих напряжениях, лучшая контрастность изображения. Вместе с тем, ионный микроскоп обладает недостатками - заметной потерей энергии ионов при прохождении даже через очень тонкие объекты, что вызывает разрушение объектов, слабым фотографическим действием, большой хроматической аберрацией, разрушение люминофора экрана ионами.

Более эффективным оказался ионный микроскоп без линз - ионный проектор.

Сканирующий гелиевый ионный микроскоп (СГИМ, гелий-ионный микроскоп, ионный гелиевый микроскоп, гелиевый микроскоп, HeIM) - сканирующий (растровый) микроскоп, по принципу работы аналогичный сканирующему электронному микроскопу, но использующий вместо электронов пучок ионов Гелия.

В настоящее время (начало 2016 года) Сканирующая электронная микроскопия, фактически исчерпала возможности своего дальнейшего развития, поскольку, на протяжении 50-летнего процесса непрерывного совершенствования методов и техники, вплотную подошла к фундаментальному ограничению предельного разрешения, которое заключается в невозможности дальнейшего уменьшения диаметра сфокусированного пятна электронного пучка за счет эффекта дифракции.

Согласно теории оптических систем, разработанной Эрнстом Аббе, минимальный диаметр пучка электромагнитной волны определяется выражением:

Сравнение изображений зубной эмали мыши, полученные с помощью СЭМ (a, b) и СГИМ (c, d). Изображения, полученные с помощью СГИМ имеют превосходную глубину резкости, и отображают внутреннюю структуру полостей эмали, которые отображаются в виде черных пятен в СЭМ-изображениях

Как известно, при движении заряженной частицы в однородном электрическом поле, его энергия, определяемая как W=q-U (где q - величина заряда частицы, а U - ускоряющее напряжение электрического поля) преобразуется в ее кинетическую энергию WК=mQV2/2.

Таким образом, с помощью СГИМ можно получать данные, которые невозможно получить с помощью микроскопов, которые используют фотоны или электроны в качестве источника излучения.

При этом, как и в других системах сфокусированных ионных пучков, СГИМ позволяет сочетать модификацию образцов с их локальным анализом с суб-нанометровым разрешением[4].

При взаимодействии Гелий-ионного пучка с образцом, происходит возбуждение гораздо меньшего объема образца, и, следовательно, обеспечение резких изображений с большой глубиной резкости изображаемого пространства для широкого диапазона материалов.

По сравнению с СЭМ, процент выхода вторичных электронов достаточно высок, что позволяет СГИМ работать со сверхнизкими токами пучка (до 1 фемтоампера).

Основные преимущества СГИМ по сравнению с СЭМ:

    - Высокое пространственное разрешение до 0,25 нм (Благодаря свойствам ионов Гелия и малой области взаимодействия ионов с образцов) - Малое влияние дифракционных эффектов на качество изображения благодаря большой массе ионов по сравнению с электронами. - Более высокая чувствительность к рельефу поверхности образца (благодаря локализации генерации вторичных электронов в приповерхностных (3-5 нм) слоях образца) - Более качественные изображения во вторичных ионах при сравнимых воздействиях пучком заряженных частиц на образец (среднее количество сгенерированных ионом вторичных электронов выше, чем сгенерированных электроном) - Глубина резкости изображения в СГИМ в 5-10 раз больше чем СЭМ. - Исследование диэлектрических материалов гораздо проще благодаря более низким токам пучка и отсутствию сложных систем компенсации заряда.

Источник ионов

В отличие от большинства приборов со сфокусированным ионным пучком, использующих жидкометаллические источники ионов, в СГИМ используется газовый автоионный источник.[3][6]

Схема и изображение источника ионов гелия. Три ярко светящиеся точки в центре являются атомами вольфрама.

К источнику ионов Гелия СГИМ предъявляется ряд требований:

    - Источник ионов СГИМ должен обладать достаточной Яркостью для обеспечения оптимального отношения сигнал/шум детектора - Источник ионов должен быть Компактным с тем, чтобы была возможность размещать его внутри колонны СГИМ и минимизировать вибрации. - Источник ионов СГИМ должен быть Стабильным, чтобы обеспечивать минимальную флуктуацию потока ионов в течение нескольких часов работы. - Источник ионов СГИМ должен работать в Широком диапазоне энергий, не менее 10 эВ - 30 кэВ

В качестве источника используется острие из вольфрама, к которому приложено высокое напряжение. Выбор вольфрама в качестве материала эмиттера обусловлен тем, что он обладает необходимыми механическими свойствами, которые позволяют исключить его деформацию под действием сильных электростатических полей и низкокотемпературных режимов работы. В результате специального термополевого цикла на заточенном конце вольфрамовой проволоки формируется трехгранная пирамида, на вершине которой располагаются одиночный атом вольфрама. Газообразный гелий ионизуется в сильном электрическом поле вблизи острия, принципы автоионизации описаны в работах Мюллера[7]. Режим автоионного микроскопа позволяет наблюдать источник с атомарным разрешением, что используется для формирования и юстировки источника. Для стабилизации источника и повышения эффективности автоионизации острие охлаждается жидким азотом.

Величина генерируемого ионного тока изменяется квазилинейно с ростом давления гелия в диапазоне давлений до 100:1, с максимальным значением тока эмиссии до 100 pA. Температурный режим подбирается исходя из оптимальных параметров генерируемого ионного тока. Так, если температура будет слишком низкая, то скорость поглощения ионов гелия будет слишком медленной. С другой стороны, при слишком высоких значениях температуры, поляризованные атомы Гелия будут обладать слишком большой кинетической энергией, и не удерживаться на наконечнике источника достаточное время, с тем чтобы быть эффективно ионизированными. Стабильность тока пучка ионов в СГИМ обеспечивается обычно на уровне 2-3%/час.

Похожие статьи




Введение - Применение ионного микроскопа

Предыдущая | Следующая