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:
![](/images/image001-1403.jpg)
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
-
Детекторы - Применение ионного микроскопа
СГИМ оборудован двумя детекторами: - детектором Эверхарта-Торнли для регистрации вторичных электронов[15] - микроканальной пластиной для регистрации...
-
Взаимодействие ионов с веществом - Применение ионного микроскопа
Ионы, как и электроны в СЭМ, могут проникать во внутренний объем твердых и жидких образцов. Поскольку отслеживать траектории движения каждого иона в...
-
Оптическая система - Применение ионного микроскопа
Схема колонны СГИМ Для фокусировки и отклонения ионного пучка используется электростатическая оптическая схема, аналогичная системам со сфокусированным...
-
Ионно-лучевая литография - Применение ионного микроскопа
Традиционно, рельеф фоторезистов формируется методами сфокусированного ионного пучка и электронно-лучевой литографии. Преимущества ионно-лучевой...
-
Введение - Выбор вида шланга для применения в конкретном производстве
Когда мы произносим слово шланги или рукава, у нашего собеседника возникает его собственная ассоциация, связанная с этим термином. Это может быть и шланг...
-
Введение - Проектирование и применение токарного станка модели 1К660Ф3
Цель дипломного проекта - это умение применять на практике приобретенные в ходе обучения знания и навыки, практически подходить к решению инженерных...
-
Введение - Редукторы, их виды и применение
Редукторы - продукция материально-технического назначения. Эти механизмы служат для изменения скорости вращения при передачи вращательного движения от...
-
ВВЕДЕНИЕ, Области применения - Флотация в металлургии
Флотация, в переводе - плавание на поверхности воды, разделение мелких твердых частиц, чаще всего минералов, и выделение капель дисперсной фазы из...
-
Сварка электронно-лучевая и лазерная - Виды сварки и способы их применения
В промышленности все более широкое применение находят тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Поэтому для их сварки необходимо применять...
-
Применение лазерного луча в промышленности и технике - Лазеры
Оптические квантовые генераторы и их излучение нашли применение во многих отраслях промышленности. Так, например, в индустрии наблюдается применение...
-
Введение, Полимеры: понятие, особенности, область применения - Полимерные органические волокна
Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX...
-
Введение - Техника безопасности на азотных комбинатах
Азот, азотная кислота, аммиак и его водный раствор, аммиачные удобрения различного типа широко используются в различных областях промышленности, в быту,...
-
Сферы применения титана и титановых сплавов - Титан и титановые сплавы
Авиационная промышленность - основной потребитель титановой продукции. Именно развитие авиационной техники дало толчок титановому производству. По своим...
-
Научно-технический прогресс ведет к стремительному росту объема информации, которую специалисты-проектанты должны учитывать в своей повседневной работе....
-
Результирующая вольт-амперная характеристика туннельного диода определяется комбинацией туннельных и тепловых свойств и имеет довольно необычный вид. В...
-
Введение - Изготовление оконного блока с раздельным переплетом, фрамугой и форточкой
Для производства изделий из древесины исходный материал в виде досок, листов фанеры и древесных плит (а также круглых древен) требуется предварительно...
-
Введение - Проектирование механической системы промышленного робота манипулятора Unimate Puma 560
Промышленный робот - автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенное для замены...
-
Технологические особенности получения и применения пластмасс
1. Общие сведения о пластмассе Пластмассами называют обширную группу органических материалов, основу которых составляют искусственные или природные...
-
Введение - Электрическая дуговая сварка на полуавтоматах
Сварка - это один из ведущих технологических процессов обработки металлов. Большие преимущества сварки обеспечили ее широкое применение в народном...
-
Объемы производства щебня в мире превышают 3 млрд. м3 в год. Интересной особенностью щебня как продукта, производимого из природного минерального сырья,...
-
Введение - Кинематический расчет привода главного движения станка мод. ВМ127М
Процесс конструирования - это непрерывный процесс творчества, использующий анализ и синтез. Любое изделие до того как появиться таким, каким мы его...
-
Введение - Организация работы ресторана при гостинице на 75 мест
В жизни человеческого общества рестораны играют важную роль. "Выход" в ресторан выполняет важную социальную функцию. Люди нуждаются не только в насыщении...
-
Пластмассовые уплотнители и амортизаторы. - Пластмассы. Их свойства и области применения
Детали уплотнений из пластмасс находят очень широкое применение. Это объясняется тем, что пластмассы обеспечивают не только высокую герметичность...
-
ЦЕЛЕСООБРАЗНАЯ ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ - Абсорбционные холодильные машины
Основное преимущество работающих на природном газе АБХМ - сокращение эксплуатационных расходов за счет сокращения потребления относительно дорогостоящей...
-
ВВЕДЕНИЕ, ИСТОРИЯ ВОПРОСА - Абсорбционные холодильные машины
Одна из возможных областей применения абсорбционных холодильных машин - здания с высокими пиковыми нагрузками на систему электроснабжения. Затраты...
-
ВВЕДЕНИЕ - Очистные сооружения водопровода г. Нижний Тагил
Водоподготовка процесс сложный и требует тщательного продумывания. Существует очень много технологий и нюансов, которые прямо или косвенно повлияют на...
-
Введение, Технология кузнечных работ - Кузнечные операции
Испокон веков кузнечное ремесло ассоциировалось с магией. Да и как могло быть иначе, если в кузнице бесформенные куски железа превращались в вещи...
-
В последнее время наметился спрос на малые космические аппараты (МКА), которые могут выполнять различные задачи, как военного, так и мирного назначения....
-
Введение. - Монтаж водопроводов. Сварочный пост
При строительстве предприятий нефтяной, химической, пищевой, металлургической промышленности, а также объектов по производству минеральных удобрений и...
-
ВВЕДЕНИЕ - Техника сборки и сварки трубы с тройником и заглушкой
Сварка труба шов Один из основных путей совершенствования технологии сварки связан с переходом на компьютерное регулирование сварочного процесса. Там,...
-
Введение - Исследование характеристик привода автоматического манипулятора для перемещения деталей
Зубчатый передача манипулятор Наиболее важной составляющей производства являются промышленные роботы и манипуляторы - универсальное средство комплексной...
-
Введение, Основные понятия - Основные показатели надежности
Современный человек не мыслит своего существования без различных механизмов, которые упрощают жизнь и делают ее намного безопаснее. Любая используемая...
-
ВВЕДЕНИЕ - Электрический привод производственного механизма
Электрическим приводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машин и управления их...
-
Без применения технологической оснастки в каком-либо производстве обойтись невозможно. Так, при выполнении любой технологической операции требуется...
-
Применение математики в конструировании одежды
Особенную важность имеют те методы науки, которые позволяют решать задачу, важную для всей практической деятельности человека: как распорядиться своими...
-
Контроль качества -- это деятельность, включающая проведение измерений, экспертизы, испытаний или оценки параметров объекта и сравнение полученных...
-
Назначение. Конструктивные элементы - Выбор вида шланга для применения в конкретном производстве
Гибкие шланг ЕS предназначены для надежного крепления на трубопроводе и исключения передачи вибрации от горелок к газовому тракту. Использование гибких...
-
Введение - Разработка ассортимента и технологии блюд и изделий из рыбы
Рыба - настоящий кладезь разнообразных минеральных веществ: железа и фосфора, кальция и магния, цинка и селена, которые вместе с витаминами обеспечивают...
-
ВВЕДЕНИЕ - Оценка эксплуатационных качеств элементов судового энергетического комплекса
Главной энергетической установкой называют ту часть СЭУ, которая обеспечивает движение судна. Эту часть называют пропульсивной установкой. судовой...
-
Введение - Ректификационная установка
Ректификационный установка орошение колонна Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных...
Введение - Применение ионного микроскопа