Атомный зонд. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Атомный зонд - микроанализатор с пространственным разрешением порядка размера атома, представляющий собой полевой ионный микроскоп (ионный проектор)в сочетании с масс-спектрометром. Полевой ионный микроскоп визуализирует поверхность проводящего кристалла с атомным разрешением. Далее выбранный для исследования атом (или атомы) удаляется с поверхности, ионизуется за счёт полевого испарения или десорбции полем, а затем направляется в масс-спектрометр для идентификации. А. з. выявляет не только массу, но и кратность анализируемого заряда. Существует неск. типов А. з.

Первый А. з. был построен Э. Мюллером (E. W. Mullеr) с сотрудниками (1968). Это был узкоапертурный А. з. с анализом ионов по времени пролёта (т. н. времяпролётный А. з.). В этом приборе экран полевого ионного микроскопа имеет небольшое зондовое отверстие, на к-рое с помощью механич. системы наводится изображение выбранного оператором анализируемого атома. Затем короткий высоковольтный импульс напряжения

, складывающийся со стационарным напряжением V₀, создающим изображение,производит полевое испарение (или десорбцию) атомов поверхности, и в т. ч. выбранного атома.

Все образовавшиеся ионы с зарядом пе приобретают полную кинетич. энергию

уже у самого острия полевого ионного микроскопа. После прохождения зондового отверстия в катоде ион с массой M движется с постоянной скоростью

по дрейфовому пространству длиной l и регистрируется в конце дрейфа детектором. Время t пролёта иона, зависящее от отношения массы к его заряду, определяется как

. Отсюда идентифицируемое отношение массы к заряду:

В дальнейшем времяпролётный А. з. был усовершенствован: для увеличения яркости полевого ионного изображения стали использовать микроканальные электронно-ионные умножители.

В пространстве дрейфа располагали тороидальную электростатич. систему, отклоняющую траектории ионов почти назад (на 163,2°) и фокусирующую затем ионы, возникшие на объекте с нек-рым разбросом скоростей, в групповые пакеты ионов одного сорта на приёмной микроканальной пластине. Такой А. з. надёжно обеспечивает масс-спектрометрич. разрешение

= 1/1000 (на полувысоте пика). Этого достаточно для определения гидридных ионов и разл. изотопов любых элементов. Времяпролётный А. з. позволяет одновременно наблюдать полный спектр (любые массы) от избранного участка объекта. Однако для обеспечения высокого масс-спектрометрич. разрешения этого прибора необходим крайне короткий (~10 нс) ионизирующий импульс с крутыми фронтами, что затрудняет применение нек-рых объектов исследования, напр. высокоомных полупроводников. Замена в атомном зонде времяпролётного масс-спектрометра статическим магнитным (т. н. магнитный атомный зонд) сняла жёсткие требования к ионизирующему импульсу (в практике такой прибор может работать и в стационарном режиме). Тем самым стало возможным изучение полупроводников. Магн. А. з. характеризуется высоким разрешением по массам. Однако он не позволяет в одном опыте просмотреть все возможные массы, а требует настройки на определ. участок спектра.

Узкоапертурный атомный зонд в состоянии анализировать одновременно лишь малую область объекта. Это ограничение снимает широкоугольный времяпролётный А. з., в к-ром в качестве детектора ионов используется вогнутая сферическая микроканальная пластина, а остриё-объект помещается в центр кривизны пластины. Все ионы, возникающие на исследуемой поверхности, проходят одинаковое расстояние до детектора, разделяясь во время дрейфа на пакеты в соответствии с отношением заряда к массе. Широкоугольный А. з. позволяет выявлять эффекты анизотропии и др. непредвиденные локальные эффекты.

Если ввести в электрич. цепи А. з. блоки, запирающие детектор и открывающие его лишь на краткий момент прихода ионов с заданным отношением

, а также регулирующие время отпирания детектора, то можно выбирать сорт регистрируемых ионов. Тем самым вид ионов в этом приборе задаётся заранее, а на экране наблюдают кристаллографич. анизотропию мест рождения ионов. Это т.н. изображающий А. з.

В атомном зонде с лазерной подсветкой энергетич. добавка, необходимая для полевого испарения, вносится за счёт короткого лазерного импульса, облучающего объект. Крутые фронты светового импульса не искажаются при подаче на объект и не зависят от его электрич. сопротивления. Поэтому достигается вдвое-втрое большее разрешение по массам. Таким А. з. можно исследовать полупроводники и даже диэлектрич. слои на проводящей поверхности.

Атомный зонд применяется в тех задачах физ. эксперимента, когда атомное разрешение необходимо дополнить идентификацией природы атомов. Послойное испарение полем позволяет анализировать не только поверхность, но и приповерхностную толщу объекта. С помощью А. з. исследуют разл. задачи физики металлов: упорядочение в сплавах, детальное распределение состава границ раздела фаз, адсорбцию на металлах и нач стадии хим. реакций (напр., окисление) и т. п. С помощью А з решаются вопросы селективного полевого испарения атомов разл сортов А. з. используется для изучения процессов ионизации в сильных электрич. полях. При этом были обнаружены новые явления: полевая адсорбция инертных газов (при полях ~10⁸ В/см); образование комплексных ионов - соединений металла подложки с активными и даже инертными газами; образование многозарядных ионов металлов с кратностью заряда, доходящей до 5-6. А. з. имеет большие перспективы при исследованиях локализации примесей, при изучении строения органич. молекул, при изучении механизмов перемещения адсорбированных посторонних атомов на поверхности (см. Поверхностная диффузия)и т. п.

Литература по атомным зондам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.