Принцип дії іонних мікроскопів Чіткий іонний мікроскоп

* МІКРОСКОП Сатиричний журнал. Виходив Ново-Миколаївську (нині Новосибірськ) в 1922 р. (Іст.: «Сиб. сов. енцикл.», т. I, стор.

Мікроскоп Мікроскоп - це оптичний прилад, призначений для отримання збільшених зображень будь-яких об'єктів або деталей структури цих об'єктів, які не видно неозброєним оком. Взагалі мікроскоп є системою, що складається з двох лінз, але

Іонний мікроскоп Іонний мікроскоп – прилад, в якому для отримання зображень використовується пучок іонів, що створюється газорозрядним або термоіонним джерелом. За принципом дії іонний мікроскоп подібний до електронного мікроскопа. Проходячи крізь об'єкт і

Іонний проектор Іонний проектор – іонно-оптичний прилад, що не має лінз, автоіонний мікроскоп, призначений для отримання зображення поверхні твердого тіла, збільшеного в кілька мільйонів разів. За допомогою іонного проектора можна побачити деталі поверхні,

Мікроскоп Мікроскоп – оптичний прилад, що дозволяє отримувати зображення об'єктів, не видимих ​​озброєним оком. Застосовується спостереження мікроорганізмів, клітин, кристалів, структур сплавів з точністю до 0,20 мкм. Цей дозвіл мікроскопа – найменший

Іонний ракетний двигун Іонний ракетний двигун - ракетний двигун, що є різновидом електричних ракетних двигунів, робочим тілом якого є іонізований газ. Конструктивно складається з кількох елементів: іонізатор робочого тіла,

Німецькі фізики розробили новий іонний мікроскоп, що просвічує, з покращеним алгоритмом отримання інформації про зображення. Це серйозний виклик найточнішим електронним мікроскопам, що просвічують.

Оптична мікроскопія впирається в дифракційну межу: у такий мікроскоп не можна побачити об'єкти, розмір яких менший, ніж так звана межа Аббе. Він визначається як відношення половини довжини хвилі світла у видимому діапазоні до показника заломлення середовища, помноженого на синус апертурного кута (максимального кута до оптичної осі, під яким світло входить в об'єктив). Щоб розглянути щось менше чверті мікрона (250 нм), потрібно використовувати додаткові хитрощі, наприклад, завантажити зразок та об'єктив у масло. Навіть лінзи з великим апертурним кутом та мікроскопи з подвійним об'єктивом принципово обмежені величинами близько сотні нанометрів.

Мал. 1: Схема мікроскопа: між двома металевими кришками з отворами для пучка знаходиться пастка іонів. Після охолодження пучок зі строго певним числоміонів слід через серію коригувальних електродів та електролінзу для фокусування.

Мал. 2: Зображення хвилеводу з отворами близько 150 нм у діаметрі. Зліва направо: РЕМ; зображення, отримане за допомогою детерміністського джерела (2659 із 4141 іонів дійшли до детектора); зображення, отримане за допомогою ФІЛ з Пуассоновим розподілом

Мал. 3: Зліва: зображення отвору у зразку, отримане без Байєсової оптимізації; справа: той самий отвір, отримане з допомогою Байєсова експериментального підходу.

В електронній мікроскопії замість світла використовуються заряджені частинки, що допомагає значно зменшити дифракційну межу. Електронний мікроскоп відкрив нам красу мікро- та нано-світу у всіх подробицях, і в наш час він перетворився на рутинний інструмент біологів, хіміків, фізиків та матеріалознавців. Розрізняють два види електронних мікроскопів: растровий і прозорий. Перший «сканує» поверхню пучком електронів з високою енергією(0.2-50 кеВ) і збирає звані вторинні електрони, які пучок вибиває з поверхні зразка. Їхня енергія істотно нижча, близько 50 еВ, і на основі від їх кількості та напрямку відтворюється топографія поверхні зразка. Аналіз відбитих електронів, катодолюмінесценії та рентгенівських променівдає інформацію про хімічному складіі кристалічній структурізразка. Растрова електронна мікроскопія (РЕМ) також лежить в основі електронно-променевої літографії. Це ключовий процес у виготовленні транзисторів та наноструктур з роздільною здатністю та точністю у кілька десятків нанометрів. Просвітлюючий електронний мікроскоп (ПЕМ) використовується для дослідження дуже тонких зразків (деякі з них вимагають ретельної та трудомісткої підготовки), і будує зображення на основі електронів, що пройшли крізь зразок. Специфіка електронної мікроскопії полягає в тому, що для гарного зображеннязразок повинен сам добре проводити електрони або бути покритим металевим напиленням. В іншому випадку наведений при опроміненні заряд накопичується в зразку і призводить до артефактів, що ускладнює вивчення біологічних об'єктів і полімерів, що не проводять.

Як альтернатива електронам у мікроскопії можна використовувати іони – важкі позитивно заряджені частинки. Щоб отримати позитивно заряджений іон, потрібно відірвати від електронейтрального атома хоча б один електрон. Для цього розплавлений метал збирається на кінчику голки з вольфраму, і за рахунок сильного електричного поляатоми іонізуються та відриваються від поверхні металу. Іонний промінь або пучок (ФІЛ), що фокусується, дозволяє отримати зображення непровідних зразків з роздільною здатністю до 5 нм, але цей метод руйнує поверхню: «рідні» атоми вибиваються іонами, які «встають» на їх місце. З іншого боку, такий іонний пучок іонний пучок добре підходить для високоточного випалювання наноструктур і додавання домішок в напівпровідники.

Джерела електронного та іонного випромінювання підпорядковуються статистиці Пуассона (розподіл, який описує ймовірність незв'язаних між собою подій у певний проміжок часу, за відомої середньої інтенсивності цих подій). З цієї причини відношення сигналу до шуму (ОСШ, відношення потужності корисного сигналу до шуму) оптимізується за рахунок тривалості опромінення або збільшеної інтенсивності пучка. Як згадувалося, це наводить додатковий заряд і руйнує зразки.

Георг Якоб та його колеги з університетів Майнца та Касселя в Німеччині підійшли до проблеми з несподіваного боку: вони створили детерміністське джерело іонного випромінювання, яке дозволяє отримати максимум корисної інформаціїіз кожного іона, який потрапляє на зразок. У даному випадкупринцип дії детерміністського джерела протиставляється звичайним джерелам, які покладаються на статистичний розподілкількості показників іонів.

Мікроскоп, який зібрали німецькі вчені, показано на ілюстрації. Іони кальцію 40 Ca + збираються в довгу пастку за рахунок градієнта електричного поля, створеного поздовжніми збірними пластинами з алюмінію. Градієнт коливається радіочастоті, утримуючи заряджені частки дома. Потрапивши у пастку, іони охолоджуються за допомогою лазера. Частота його випромінювання трохи менше, ніж різниця між двома енергетичними рівнямиіона, що відповідають випромінювальному переходу. Іони, які рухаються назустріч фотонам, «бачать» більш високу частоту за рахунок ефекту Доплера (цей метод відомий як Доплерівське охолодження). У такому разі вони поглинають фотон і переходять у збуджений стан. Після цього іони перевипускають фотон у випадковому напрямку. В результаті іон втрачає початковий напрямок руху і момент. Інакше кажучи, зменшується середня кінетична енергія іонів, отже, і температура. ПЗС-камера поруч із пасткою вловлює перевипромінювані фотони, що дозволяє оцінити кількість охолоджених іонів. Профіль пастки підлаштовується так, щоб вона утримувала суворо певну кількістьіонів. Прискорююча напруга, що знаходиться у фазі з коливаннями пастки, випускає іони, після чого вони проходять через серію корегують напрямок пучка електродів і електро-лінзу. Детектор збирає іони, що пройшли через зразок, після чого зображення будується з урахуванням точної кількостівипущених іонів. Ефективність такого підходу показана на рис.2 де порівнюються зображення, отримані за допомогою РЕМ, нового іонного мікроскопа і ФІЛ з Пуассоновим розподілом. Незважаючи на те, що кількість частинок, що потрапили в детектор, можна порівняти, якість зображення останнього сильно поступається новому методу.

Для оцінки можливостей нового мікроскопа вчені використовують алмазну пластину з отвором 1 мікрон (1000 нм). Завдання вимірювання – визначити розмір та розташування центру отвору по відношенню до іонного пучка. Спочатку було зроблено «контрольний» замір: за допомогою 1332 іонів отримано зображення зразка з радіусом отвору 1057 ± 32 нм та точністю розташування його центру 20-40 нм (див. рис. 3).

Щоб збільшити ефективність збору інформації, реалізовано так званий Баєсов експериментальний підхід. Основна ідея полягає у використанні алгоритму оптимізації рішень в умовах невизначеності. За допомогою попередньо відомих параметрів вимірювань можна оптимізувати процес, використовуючи оцінку рішення Байєса: вибирається попередня функція розподілу, яка уточнюється в міру проведення експерименту таким чином, щоб максимізувати функцію корисності. Вимірювання параметризовано радіусом отвору та його положенням, а також відомими діаметром пучка іонів у фокусі (25 нм) та ефективністю детектора (95%). Для кожної "порції" іонів положення зразка коригується з урахуванням Байєсової оцінки. На рис. 3 показані покрокова корекція оцінки положення центру отвору (сіра ламана лінія), попередня функція розподілу Гаусової форми (Концентричний градієнт) та кінцевий результат(червона штрихова лінія). В результаті зображення отвору, зроблене за допомогою 379 іонів, дає результат 1004 ± 2 нм і точність визначення позиції центру 2.7 нм. Це набагато краще, ніж «контрольне» вимір!

Мінімальна кількість іонів, випущених «на зразок», суттєво знижує артефакти, що виникають за рахунок наведення заряду та фізичного пошкодження. Фізики вже планують поліпшити установку за допомогою більш оперативного «підвантаження» іонів та більш надійного та стабільного комерційного іонного джерела. За їх оцінками, це дасть новому мікроскопу перевагу перед найточнішими мікроскопами, що просвічують. При реалізації пікосекундного контролю над іонами можна робити мікроскопію з тимчасовою роздільною здатністю, а оптичне накачування зробить іонне джерело повністю спін-поляризованим, що дозволить вимірювати магнітну поляризацію поверхні.

Мікроскопи з'явилися дуже давно, у середині XV століття ще до Галілея. Але збільшення світлового мікроскопа обмежено, в мікроскоп можна побачити лише об'єкти близько 0,2 мкм, тобто отримати збільшення приблизно 500 разів. Цікаво, що таке збільшення давали мікроскопи Левенгука просто скляні крапельки на довгій паличці. Тому до 1950 року ніхто не зміг побачити окремі атоми– цеглинки, з яких збудовані тверді тіла, і вдалося це вперше зробити в тому році Ервін Мюллер. Визначний фізик XX століття Річард Фейнман так охарактеризував винахід Е. Мюллера:
«Іонний мікроскоп уперше забезпечив людство засобом бачити атоми. Чудове досягнення, та ще й отримане з таким простим приладом».

Схема конструкції іонного емісійного мікроскопа, що називається також автоіонним мікроскопом (АІМ), показана на рис. 1. Основні частини мікроскопа – вакуумна трубка та люмінесцентний екран. З досліджуваного кристалічного матеріалу виготовляються тоненька голочка з радіусом кривизни 50-100 нм, вона встановлюється вздовж осі вакуумної трубки на відстані близько 50 мм від екрану і прикладається до зразка. висока напруга(3-30 кВ). У трубку мікроскопа напускається невелика кількість (~10 -3 Па) інертного газу, зазвичай гелію або неону.

Коли потенціал зразка збільшується, атоми газу, що оточує його вершину, поляризуються в сильному електричному полі та притягуються до поверхні. Вони стикаються з поверхнею, віддають їй частину своєю кінетичної енергіїв процесі вирівнювання температури та захоплюються в область сильного поля. Потім атоми газу зазнають серії ударів з поверхнею зразка при зменшується висоті відскоку від неї (рис. 2).

Досить високому полі(кілька десятків вольт на нанометр) перші атоми газу, що досягають поверхні, адсорбуються полем в особливих положеннях над окремими поверхневими атомами, що виступають. Атоми газу, що досягають поверхні, мігрують уздовж неї над шаром адсорбованих атомів доти, доки не іонізуються, віддавши свій електрон голці, залишаючи позитивний іонгазу над поверхнею. Електричні силивідштовхують іони від зразка перпендикулярно поверхні і направляють іони до люмінесцентного екрану, створюючи зображення поверхні, на якій вони були утворені, і забезпечуючи тим самим високе збільшення. Процес автоіонізації найлегше відбувається у найбільш виступаючих поверхневих атомів, і тому на екрані бачимо збільшене зображення структури речовини.

Досить високих поляхпочинаються процеси десорбції полем та випаровування полем.

Це дуже зручно, тому що дозволяє прибрати нерівності, хімічні забрудненняі навіть окремі атомні шари, що дозволяє отримати фотографії кількох послідовних шарів речовини. За знімками шарів можна відновити об'ємну структуру атомної речовини.

Тунельний струм невеликий (10 -12 -10 -11 А), передати енергію люмінофору вдається не більше ніж 1% іонів, а для засвічування плями необхідно 103-104 іон/с. Тому яскравість «первинного» іонного зображення дуже мала, і, як правило, воно важко сприймається оком без повної адаптації в темряві. Для збільшення яскравості зображення в сучасної технікизазвичай використовують перетворювачі зображення (так звані мікроканальні пластини - МКП). Вони розміщуються перед екраном і перетворюють іонні пучки на сильніші електронні. При використанні таких підсилювачів зображення в АІМ стає контрастним і його можна спостерігати навіть за денного світла та фотографувати.

На рис. 3 показано загальний вигляд сучасного АІМ.

Автоіонні мікроскопи можуть бути використані для аналізу різноманітних матеріалів, включаючи майже всі метали та сплави, напівпровідники, що проводять оксиди та кераміки.

Іонний мікроскоп

прилад, у якому для отримання зображень застосовується пучок іонів, що створюється термоіонним або газорозрядним іонним джерелом. За принципом дії І. м. аналогічний електронному мікроскопу. Проходячи через об'єкт і випробовуючи в різних його ділянках розсіювання та поглинання, іонний пучок фокусується системою електростатичних або магнітних лінз і дає на екрані або фотошарі збільшене зображення об'єкта (див. Електронна та іонна оптика).

Створено лише кілька дослідних зразків І. м. Роботи з його удосконалення стимулюються тим, що він повинен мати більш високу роздільну здатність порівняно з електронним мікроскопом. Довжина Хвилі де Бройля для іонів значно менша, ніж для електронів (при однаковій прискорювальній напрузі), внаслідок чого в І. м. дуже малі ефекти дифракції, які в електронному мікроскопі обмежують його роздільну здатність. Інші переваги І. м. - менший вплив зміни маси іонів при більших напругах, що прискорюють, і краща контрастність зображення. Розрахунки показують, що, наприклад, контрастність зображення органічних плівок завтовшки 50 Å, викликана розсіюванням протонів, у кілька разів повинна перевищувати контрастність, викликану розсіюванням електронів.

До недоліків І. м. відносяться помітна втрата енергії іонів навіть при проходженні через дуже тонкі об'єкти, що викликає руйнування об'єктів, велика хроматична аберація (див. Електронні лінзи), руйнування люмінофора екрану іонами та слабку фотографічну дію. Ці недоліки призвели до того, що, незважаючи на перераховані вище переваги І. м. в порівнянні з електронним, він не знайшов поки що практичного застосування. Значно ефективнішим виявився І. м. без лінз-іонний проектор.

Літ.:Процеси 3d International conference on electron microscopy, L., 1956, p. 220-99.

Ю. М. Кушнір.