курсовая работа. пим. Полевая ионная эмиссия и полевой ионный микроскоп (пим)

• Название: Полевая ионная эмиссия и полевой ионный микроскоп (пим)
• Анкор: курсовая работа
• Дата: 15.02.2022
• Размер: 1.14 Mb.
• Имя файла: пим.docx
• Тип: Курсовая; #363131

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»
Инженерная школа ядерных технологий

Отделение экспериментальной физики

Курсовая работа на тему:

Полевая ионная эмиссия и полевой ионный микроскоп (ПИМ)

Подготовила: ст.гр 0Б81, ИЯТШ

Анжигатова Е. Д

Принял: преподаватель

Никитенков Н.Н

Томск 2022

Содержание

Введение 3

1 Основы полевой ионной эмиссии 5

1.1Механизм полевой ионной эмиссии 5

1.1.1 Явления полевой ионной эмиссии 6

1.1.2 Полевая ионизация как туннельный эффект 7

1.1.3 Потенциальная энергия электрона в атоме в сильном электрическом поле вблизи поверхности металла 8

2 Полевая ионная микроскопия 10

2.1 История создания 10

2.2 Факторы, определяющие работу ПИМ 11

2.3 Устройство ионного проектора 11

2.3.2 Основные параметры изображения 14

2.3.3 Интерпретация изображений, ограничения использования 14

3 Область применения 17

3.1 Исследование объектов при интенсивном внешнем воздействии 17

3.2 Определение угла разориентации границы зерен методом ПИМ 21

3.3 Перспективы применения ПИМ 22

Список источников 25

Введение

В последние годы возрастает тенденция изучения на атомарном уровне строения структуры веществ, это обуславливается тем, что помимо исследования поверхности образца можно целенаправленно влиять на формирование структурных характеристик. Одним из видов изучения поверхности является полевая ионная микроскопия (ПИМ), она так же включает в себя полевую ионную, ионную и десорбционную микроскопию.

Полевая ионная микроскопия является предшественником атомно-зондовой томографии. Под руководством немецкого физика Эрвина Вильгельма Мюллера на базе электронного полевого микроскопа в 1951 году был изобретен полевой ионный микроскоп (ПИМ).

ПИМ уже около 70 лет остается единственным методом исследования поверхности, который используется в качестве прямого наблюдения атомов как на поверхности, так и в объеме, составляющих кристаллическую структуру образца твердого тела. Данным методом можно исследовать металлические, полупроводниковые и даже керамические образцы с атомным разрешением. Возможность выбирать отельный атом в качестве идентификации на масс-спектрометрометрии; структурного и химического анализа состава в объеме, с помощью удаления атомов с поверхности образца электрическим полем, даёт огромное преимущество, так как не требует какого-либо отрыва от исследования поверхности.

Изучение структуры на атомарном уровне возникающих в результате внешних интенсивных воздействий с помощью полевой ионной микроскопии является полной и достаточной для того, чтобы однозначно определять структурные изменения на поверхности и приповерхностном объеме.

Целью данной работы является изучение полевой ионной микроскопии как метод исследования поверхности на атомном уровне.

Основными задачами работы являются:

1. 
   Изучение полевой ионной эмиссии;
   
2. 
   Изучение факторов, определяющих работу полевого ионного микроскопа;
   
3. 
   Области применения данного метода.
   

1 Основы полевой ионной эмиссии

Полевая ионная эмиссия (автоионная эмиссия) – это явление испускания положительных и отрицательных ионов (из нейтральных атомов или молекул) твёрдого тела под воздействием сильного электрического поля, наблюдается в больших интервалах температур (включая самые низкие). При проведении полевой ионной эмиссии могут образовываться ионы благодаря полевой ионизации (процесс ионизации в сильных электрических полях), десорбции и полевого испарения. Для прохождения этих трёх процессов необходимо наличие полевого эмиттера ионов, острия из проводящего материала (с радиусом кривизны достигающего 10-100 нм) и сильного электрического поля (напряженность которого составляет 10-100 В/нм). Такое поле можно создать путем приложения к эмиттеру положительного потенциала размером 10-30 кВ [1].

Посредством туннельного перехода в полевой эмиттер электрона с основного энергетического уровня атома газа, молекулы газов ионизируются вблизи поверхности эмиттера. В этом же случае образуются однозарядные ионы и эмиссионные токи в размере 10^-8 – 10^-10 А.

В случае полевого испарения ионизируются и испускаются атомы материала эмиттера вследствие термического возбуждения потенциального барьера. Для данного вида полевой ионной эмиссии значения токов немного меньше 10^-12 – 10^-14 А [1].

При полевой десорбции атомы, адсорбированныне на поверхности эмиттера, так же, как и при полевом испарении эмитируются и ионизируются аналогичным образом, но при токах с большими значениями 10^-3 – 10^-6 А.

В основном, полевая ионная эмиссия предназначается для диагностики поверхности и приповерхностного слоя твёрдого тела путём последовательного удаления атомного слоя, а также для создания ионных источников [2].

1. 
   Механизм полевой ионной эмиссии
   

Создание градиента напряженности, перед пробоем вакуумного промежутка, между электродами ведет к образованию ионов. При нахождении в этом промежутке молекулы или атомы пробы, ионизируются в сильном электрическом поле в результате туннелирования электронов, этот процесс носит название ионная эмиссия или автоионная эмиссия. Автоионная эмиссия зависит от потенциала ионизации атомов и подаваемой напряженности электрического поля.

Полевая ионная эмиссия состоит из двух явлений: испарений атомов с поверхности (десорбция) и полевой ионизации [2].

1.1.1 Явления полевой ионной эмиссии

Полевая десорбция — это одно из явлений ПИЭ, суть которого заключается в удалении адсорбированных атомов или молекул с поверхности твердого тела сильным электрическим полем (напряженность которого составляет от 10⁷ до 10¹⁰ В/см) [1].

Так же возможно удаление собственных атомов с поверхности исследуемого твердого тела сильным полем, этот процесс называется испарением полем, этот вид десорбции больше всего изучен на металлических подложках в поле, где ускоряются положительные ионы. Эти явления рассматриваются как термическое испарение атомов, но только десорбция полем может наблюдаться при большом интервале температур (даже при самых низких) [2].

Для частиц с относительно низкой энергией ионизации и при не слишком низких температурах, теория удовлетворительно определяет кратность заряда иона и объясняет наблюдаемую взаимосвязь между десорбирующим полем E и температурой T при одинаковых скоростях десорбции [2]:

(1)

где n – кратность ионизации; e – заряд электрона; Ʌ – теплота сублимации; I_n – полная энергия; Ф – работа выхода поверхности; T – температура, при которой происходит данный процесс; τ₀ – период колебаний частицы в потенциальной яме; τ – среднее время преодоления частицей энергетического барьера высотой Q (уравнение (2)).

(2)

В случае, когда теплового возбуждения недостаточно для преодоления барьера (при высоких энергиях ионизации и низких температурах), на помощь приходят идеи о туннелировании ионов через барьер (туннельный эффект). В то же время необходимо учитывать проникновение поля в проводник и поляризацию поверхностных атомов [2].

Энергия связи адсорбированных частиц с матрицей определяется десорбцией полем. Это явление используется в полевой ионной микроскопии для отчистки острия, это делается с целью получения более интенсивных ионных пучков [2].

1.1.2 Полевая ионизация как туннельный эффект

Ионизация полем – это процесс получения положительно заряженных атомов, ионов или молекул в сильном электрическом поле напряженностью 10⁷-10⁸ В/см. Каждый электрон, находящийся в атоме, можно представить себе как электрон, который находится в потенциальной яме (рисунок 1.1 а) [2].



Рисунок 1.1 Диаграммы потенциальной энергии электрона в пространстве а) без электрического поля; б) при наличии электрического поля [2]

Чтобы электрон преодолел потенциальный барьер, ему необходим дополнительный источник энергии, в данном случае это будет энергия электрического поля с напряженностью E. В присутствии электрического поля, один из концов потенциальной ямы обретает конечную ширину [x₁, x₂]. Сквозь этот барьер электрон туннелировать, вследствие чего будет возможна и ионизация с основного уровня атома. Вероятность такого туннелирования может быть рассчитана с помощью уравнения (3) [2].

(3)

где V(x) – потенциальная энергия электрона (V(x)= V₀+eE_x), E – полная энергия электрона, h – постоянная Планка, m – масса электрона, x₁x₂ – ширина барьера.

Если увеличивать напряженность поля или энергию электрона в атоме, то вероятность туннелирования будет возрастать [2].

1.1.3 Потенциальная энергия электрона в атоме в сильном электрическом поле вблизи поверхности металла

Всесторонне исследована полевая ионная эмиссия у поверхности металла, так как именно она используется для увеличения изображения поверхности в полевом ионном микроскопе. Рассмотрим диаграмму потенциальной энергии электрона в сильном электростатическом поле вблизи поверхности металла (рисунок 1.2).



Рисунок 1.2 Диаграмма потенциальной энергии электрона в сильном электрическом поле вблизи поверхности металла [2]

За счёт электростатических сил, которые снижают потенциальный барьер, вероятность полевой ионизации у поверхности металла будет намного больше, чем в свободном пространстве при той же напряженности поля. Но есть необходимое условие для ионизации на поверхности металла, это возможно в том случае, когда расстояние между атомом и поверхностью превышает определенное критическое расстояние x_кр, так как при нормальных температурах его энергии будет недостаточно для туннелирования электрона в металл, поэтому необходимо, чтобы базовый уровень Ферми был повышен электрическим полем [2].

В явлении полевой ионизации многое зависит от критического расстояния x_кр, если атом приближается на расстояние меньше критического, то вероятность туннелирования уменьшается, так как энергия электрона будет ниже необходимой энергии Ферми, та же самая ситуация возникает при удалении атома на расстояние больше критического. Поэтому для полевой ионизации необходимо и достаточно чтобы электрон находился в пределах x_кр.

Ионизация полем используется не только в полевом ионном микроскопе, но и для создания ионных источников, ионно-эмиссионных пушек, масс-спектрометров и тд. Так же с помощью ионных источников можно наблюдать специфические химические реакции, прохождение которых возможно только в сильных электрических полях [2].

2 Полевая ионная микроскопия

Полевая ионная микроскопия (ПИМ) на данный момент является одной из методик изображения отдельных атомов на поверхности изучаемых образцов. Среди всех существующих методов изучения поверхности на атомном уровне, ей присуща возможность формирования гладкой поверхности за счёт полевого испарения атомов с поверхности твёрдого тела [3].

Этот способ исследования поверхности твёрдых тел является наиболее распространенным, к основным преимуществам можно отнести:

• 
  Высокую разрешающую способность, так как длина волны де Бройля для ионов меньше;
  
• 
  Отсутствие эффектов дифракции, влияющие на разрешающую способность микроскопа;
  
• 
  Контрастность получаемого изображения, по сравнению с электронным микроскопом намного лучше.
  

Но вместе с достоинствами имеются и недостатки: большая потеря энергии ионов через достаточно тонкие объекты, это вызывает разрушение образца, разрушение люминофорового покрытия экрана ионами и слабым фотографическим действием [3].

2.1 История создания

В 1911 году в Берлине родился Эрвин Вильгельм Мюллер. В возрасте 24 лет он выполняет диссертационную работу по автоэлектронной эмиссии в лаборатории Густава Герца. Помимо написания диссертации в 1936 году появляется первый электронный микроскоп, благодаря которому он выполняет множество научных работ, таких как: опыты по адсорбции на монокристалле, подтверждение теории автоэлектронной эмиссии, открытие полевой десорбции и тд.

Первый ионный микроскоп был создан на базе электронного микроскопа Эрвином Мюллером в 1951 году в институте физической химии имени Ф.Габера в западном Берлине. Уже 11 октября 1955 года, после переезда в США, в Пенсильванском университете Эрвин Мюллер и Канвар Бахадур проводили свои первые эксперименты и наблюдали отдельные атомы вольфрама на поверхности заостренного вольфрамового наконечника, его температура составляла 21 К и в качестве газа для визуализации использовался гелий [4].

2.2 Факторы, определяющие работу ПИМ

Для работы полевого ионного микроскопа создается электрическое поле напряженностью от 2 до 8 10¹⁰ В/см, при таких значениях происходит полевая ионизация инертных газов (инертные газы используются в качестве изображающих) [4].

Такая напряженность поля может быть получена только у острийных образцов в форме иглы, поэтому на изучаемые образцы накладывается ограничение, радиус кривизны острия образца должен лежать в интервале 10-100 нм при подаваемом положительном потенциале 2-30 кВ. Наконечники обычно подготавливают электрохимической полировкой [4].

В качестве визуализируещего газа используются инертные газы, такие как He, Ne, иногда берут O₂. Давление таких газов обычно не превышает 10^-4-10^-2 Па [4].

Так же для работы ПИМ необходимо наличие сверхвысокого вакуума, то есть давление остаточных газов должно лежать в пределах

2.3 Устройство ионного проектора

Ионный проектор (полевой ионный микроскоп), по своему принципу представляет собой точечный проекционный микроскоп, который обеспечивает исключительное увеличение за счет радиальной проекции отдельных участков поверхности с использованием пучков ионов визуализирующего газа. Благодаря этой особенности можно различить детали на расстояниях около 2-3 А, такое преимущество позволяет наблюдать расположение атомов в кристаллической решетке [3].

2.3.1 Схема устройства

ПИМ по своему принципу работы представляет собой точечный проекционный микроскоп, который обеспечивает своё увеличение за счёт радиальной проекции отдельных участков поверхности с использованием ионов визуализирующего газа. На рисунке 2.1 представлена схема такого микроскопа [3].



Рисунок 2.1 Схема ПИМ. 1 – хладоагент; 2 – ускоряющий экран; 3 – образец; 4 – траектория иона; 5 – фосфоресцирующий экран с токопроводящем покрытии; 6 – трубка к вакуумному насосу и системе подачи газа.

Охлажденный образец в виде иглы с радиусом кривизны в субмикрометровом диапазоне (10-100 нм) расположен в нескольких сантиметрах от усилителя изображения (на рисунке он не обозначен). Наконечник, подготовленный электрохимической полировкой, подвергают воздействию сильного электрического поля в присутствии визуализирующего газа (обычно используются инертные газы, так как они не вступают в химические реакции) при давлении 10^-3 – 10^-4 Па. Так же в камере присутствует давление остаточных газов в размере 10^-4 – 10^-8 Па [4].

Чтобы получить ионное изображение поверхности исследуемого образца, необходимо создать разность потенциалов порядком нескольких киловольт между образцом и флюоресцентном экраном.

Поляризация изображающего газа происходит в следствие высокой напряженности поля, из-за чего атомы газа притягиваются к игле. Ионизация адсорбированных атомов происходит за счёт туннелирования электронов в иглу и уже образовавшиеся ионы ускоряются в приложенном поле, проецируя положения поверхностных атомов на экран создавая изображение.

Ионизация атомов происходит при определенной напряженности электрического поля (более 10⁷ В/м), и определенном критическом расстоянии. Это расстояние необходимо для того, чтобы позволить поднять уровень валентных электронов атома над уровнем Ферми образца с помощью приложенного поля, туннелирование на расстояниях меньших чем критическое невозможно, поскольку это бы означало туннелирование в занятые состояния ниже уровня Ферми.

Условие ионизации схематично изображено на рисунке 2.2 [3].



Рисунок 2.2 Процесс формирования ионного изображения [4]

Формирование изображения происходит радиальным проецированием, так как образец был подготовлен до полусферической гладкой поверхности. Формирование гладкой поверхности происходит путём полевого испарения атомов. Удаление атомов происходит за счёт градиента электрического поля, около острых краёв над выступами электрическое поле будет сильнее, поэтому полевое испарение можно назвать саморегулирующимся. Вследствие чего формируется гладкая поверхность образца в атомарном масштабе.

Благодаря непрерывной регистрации послойного удаления поверхностных атомов можно проанализировать кристаллическую структуру образца в объеме [4].

2.3.2 Основные параметры изображения

К основным параметрам изображения можно отнести разрешающую способность и яркость изображения [5].

Как известно, разрешение ПИМ не зависит от дифракционных эффектов и радиусов молекул изображающего газа. Исходя из этого, разрешающую способность ПИМ можно определить следующим образом:

(4)

где r – радиус кривизны образца, F – напряженность электрического поля на образце, β – фактор сжатия изображения, T – температура образца, e – заряд электрона, k_f – геометрический полевой фактор, δ – разрешающая способность ПИМ. Геометрический полевой фактор зависит от конфигурации электродов микроскопа [5].

Усиление яркости изображения можно достичь с помощью использования микроканальных пластин [5]. Микроканальная пластина – это деталь электровакуумных приборов для усиления потока частиц, в данном случае электронов.

2.3.3 Интерпретация изображений, ограничения использования

Изображение, полученное на полевом ионном микроскопе, представляет собой «топографическую карту» вершины эмиттера в виде контурных кольцевых линий. В свою очередь, кольца состоят из отдельных белых ярких точек, они являются отдельными поверхностными атомами [3]. Эти кольцевые линии являются краями семейств кристаллографических плоскостей. Изображениями параллельных слоёв являются соседние кольца. Межплоскостное расстояние кристаллографических направлений определяется расстоянием между кольцами. Если говорить о терминах ионной микрокартину, то межплоскостные расстояния называются высотами ступенек кристаллических решёток. На рисунке 2.3 изображен результат ПИМ вольфрамовой иглы, радиус которой составляет около 12 нм при температуре 21 К, в фигурных скобочках обозначены семейства кристаллографических плоскостей [6].



Рисунок 2.3 Вольфрамовая игла

Расшифровка изображений проводится исходя из знаний о симметрии изучаемого образца, например структуры его решётки, но в то же время учитывать характер получившейся проективной картины на экране. С учетом всех этих особенностей была построена шариковая модель. Основные положения шариковой модели [6]:

• 
  Каждая точка соответствует одному атому;
  
• 
  Если есть недостающее пятно в симметрии, значит в образце была вакансия;
  
• 
  Внедренный атом — это лишняя точка в симметрии на кольцах, либо же точка большего радиуса.
  

С помощью шариковой модели можно определить индексы Миллера, путем определения элементов симметрии наборов колец и их угловых соотношений [3]. Для расшифровки изображений необходимо помнить о следующем:

• 
  Чем больше высота ступенек, тем больше межатомное расстояние;
  
• 
  Поле зрение микроскопического изображения около 120 ⁰;
  
• 
  Необходимо знать стереографическую природу изображения.
  

Свойства изображений ПИМ определяются следующими факторами: вероятностью ионизации и скоростью, с которой атомы газа достигают поверхности.

С помощью полевого ионного микроскопа нельзя определить параметры элементарных ячеек или кристаллических решёток, для этого существуют другие методы исследований, например рентгеноструктурный анализ [4]. Так же микроскопическая проекция не линейна, что приводит к локальным увеличениям поверхности, в некоторых случаях до 10 раз, в связи с этим необходимо вносить поправки.

3 Область применения

На данный момент ПИМ используется для исследования металлов и полупроводников, когда требуется атомное разрешение, в основном данная техника применяется в материаловеденье. Так же с помощью ПИМ можно наблюдать структурированные изображения биомолекул при низкой напряженности поля (4-12 В/нм) [7]. Среди всех существующих методов изучения поверхности материалов, ей присуща возможность создание атомно-гладкой структуры поверхности за счёт полевого испарения. Микроскоп оказался мощным инструментом, раскрывающим атомную структуру дислокаций и границ зерен. Он также позволяет наблюдать частицы второй фазы, предоставляя информацию, связанную с размером, формой, объемной долей и т.д [3]. 

Совсем недавно была изобретена трехмерная версия получаемых изображений, обеспечивающая 3D-реконструкцию с атомарным разрешением. На этом усовершенствование не остановилось, на данный момент используются полевые ионные микроскопы с атомным зондом. Атомно-зондовая томография (полевой ионный микроскоп с зондом) предоставляет 3D-карту атомов, определяемую их положением и их элементной природой происхождения [4]. 

3.1 Исследование объектов при интенсивном внешнем воздействии

В анализируемой работе было проведено изучение атомно-пространственного строения дефектов различных металлов после интенсивного внешнего воздействия с помощью полевого ионного микроскопа [5].

В данной работе было проведено изучение поликристаллических образцов иридия, вольфрама, никеля и чистой меди. Изучение атомного строения дефектов производилось после проведения интенсивных внешних воздействий, таких как облучение и интенсивных пластических деформаций. Образцы для исследования были подготовлены в виде острия иглы с радиусом кривизны около 30-50 нм. Для ПИМ использовался усилитель яркости изображения (коэффициент усиления 10⁴). Изображающим газом служил неон и в качестве хладогента использовался жидкий азот при температуре 78 К [5].

Перед интенсивными внешними воздействиями каждый образец был проверен в ПИМ [5].

На рисунке 3.1а изображено ионное изображение чистого иридия до какого-либо воздействия, можно заметить, что образец иридия имеет правильную кольцевую поверхность (она характерна для монокристаллов), так же поверхность не имеет зерна и дефектов на атомном уровне [5].



Рисунок 3.1 Полевое ионное изображение иридия. а – исходное состояние, б – после пластической деформации [5]

На рисунке 3.1 б изображен иридий после пластических деформаций, можно заметить сформированные границы зерен, размер которых составляет около 20-30 нм [5].

Рисунок 3.2 а-в показывает, как после облучения меняется кристаллическая структура. Можно заметить, что количество дефектов увеличилось, была выявлена субзеренная структура (размер около 3-5 нм), угловая разориентация (до 1^о), так же можно заметить появившиеся микропоры (рисунок 3.2 а). Нужно отметить, что все полученные снимки были сняты с одной и той же поверхности иридия, но при разных напряжениях [5].





Рисунок 3.2 – Полевое ионное изображение поверхности иридия после имплантации ионами аргона, стрелками показаны дефекты: а-микропора; б, в-дефекты кристаллической структуры [5]

Наблюдаемые деформационные эффекты объясняются распространением в материале упругих волн, которые вызваны ударным воздействием ионного пучка, а также взаимодействиями дефектов решетки с внедренными ионами аргона [5].

На рисунке 3.3 а-г изображены снимки никеля в зависимости от удаленных поверхностных атомов. Размеры субзерен лежат в диапазоне от 3 до 10 нм, на границах раздела можно заметить выходы дислокаций. В свою очередь тела субзерен представляют собой правильные микрокристаллиты. Граничная область сравнима с межатомным расстоянием [5].



Рисунок 3.3 Полевое ионное изображение никеля после пластических деформаций. Количество испаренных слоев: а-557, б- 587, в-622, г-632 [5]

Сформированные ультрадисперсные субзерна обнаружены у меди после деформации кручения. По сравнению с никелем граничная область намного шире (примерно в 3-4 раза). Размер субзерен 8-15 нм и сильно разориентированы относительно друг друга (рисунок 3.4) [5].



Рисунок 3.4 Полевое ионное изображение меди, стрелками показаны границы ультрадисперсных зерен [5]

Таким образом, с помощью полевой ионной микроскопии можно найти дефекты различной n-мерности [5].

3.2 Определение угла разориентации границы зерен методом ПИМ

В данной статье используется усовершенствованный метод анализа характеристики границы зерен с использованием ПИМ для анализа с атомным зондом. С помощь данного метода можно быстро и точно определить угол разориентации границ зерен, метод позволяет определить угол с точностью до ± 0,4^о [8].

Исследуемым материалом являлась низкоуглеродистая ферритовая сталь с составом Fe-0,03C-0,50Mn-3,0%Al масс%. Добавка в виде алюминия применялась для получения крупных зерен для повышения превращения феррита в аустенит. Материал в виде пластины отжигали при 1300℃ в течение 15 минут и закаляли в воде [8].

В этом исследовании использовался трехмерный атомный зонд с энергетической компенсацией с системой ПИМ. Расстояние между наконечником и экраном составляло 58 мм, диаметр экрана около 73 мм. В качестве визуализирующего газа использовался неон в интервале температур 60-90 К при давлении 1-2 10^-3 Па [8].

Под действием непрерывного электрического поля осуществлялось испарение атомов до появления границ зерен, на рисунке она выглядит как темная полоса [8].

На рисунке 3.5 изображен полученный снимок зерна, подгонка полюсов производилась индивидуально для зерна А и В. Углы Эйлера и масштабный коэффициент двух зерен показаны на рисунке [8].



Рисунок 3.5 – Характеристика границы зерен с использованием ПИМ [8]

Методом установки полюса угол разориентации и ось вращения были равными 38,4±0,4 и [0,075-0,114-0,991] соответственно.

В таблице 1 показаны полученные углы для пяти образцов.

Таблица 1 – Границы углов

№	Расчетный угол разориентации
1	38,4±0,4
2	38,2±0,4
3	37,2±0,4
4	42,7±0,4
5	28,2±0,4

Это исследование показывает, что с помощью ПИМ с высокой точностью можно определить угол разориентации, когда образец в форме иглы имеет идеальную симметричную форму [8].

3.3 Перспективы применения ПИМ

Перспективными областями возможного применения ПИМ являются нанотрубки и нанопроволоки. Принимая во внимание, что нанотрубки, наряду с нанопроволоками, часто используются в качестве источников электронной эмиссии. Трудности, вызванные низкими полями испарения, до сих пор препятствуют применению полевого электронного микроскопа к таким наноструктурам. Охлаждение до 4 К с использованием смешения визуализирующих газов может обойти эти проблемы.

Перспективным будущим применением полевой ионизации на углеродных нанотрубках представляет использование плоской матрицы углеродных нанотрубок в качестве высокоэффективного детектора для сверхзвуковых гелиевых пучков.

Так же, благодаря регистрации полевого испарения поверхностных атомов можно воссоздать трехмерную реконструкцию материала с атомарным разрешением. 3-D ПИМ подходит для наблюдения кристаллических дефектов, таких как: вакансий, междоузлий, дислокаций и границ зерен.
Выводы

В курсовой работе был проведен литературный обзор о полевой ионной эмиссии (ПИЭ) и полевом ионном микроскопе (ПИМ).

Были рассмотрены основные механизмы полевой ионной эмиссии, такие как десорбция полем, полевая ионизация и испарение полем.

В ходе литературного обзора была рассмотрена схема установки и работа полевого ионного микроскопа, были выяснены основные параметры, влияющие на получение изображения.

Полевой ионный микроскоп был первым устройством для распознавания отдельных атомов на поверхности твердых тел. ПИМ внес значительный вклад в важнейшие разработки, такие как изучение поверхностной диффузии отдельных атомов, блуждание отдельных атомов под действием градиента поля.

В качестве применения, была рассмотрена статья, в которой изучалась атомарная поверхность металлов до и после воздействий, в виде пластической и деформации и ионной имплантацией.

Список источников

1. 
   Мулюков Р. Р. и др. Полевая эмиссия из субмикрокристаллического вольфрама //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2000. – Т. 72. – №. 5. – С. 377-381.
   
2. 
   Никитенков Н. Н. Основы анализа поверхности твердых тел методами атомной физики. – 2013.
   
3. 
   Овсянников Н. П., Малютин А. Е., Фефелов А. А. Исследование параметров ионного потока плевого источника ионов // Вестник РГРТУ №4. Рязань 2008.
   
4. 
   Э.В. Мюллер, Т.Т. Цонг. Автоионная микроскопия. М.: «Металлургия», 1972, 360 с
   
5. 
   Ксенофонтов В. А. и др. Полевая ионная микроскопия объектов микрометрового масштаба //Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31. – №. 20.
   
6. 
   Klaes, B., Lardé, R., Delaroche, F., Parviainen, S., Rolland, N., Katnagallu, S., Gault, B., & Vurpillot, F. (2021). A model to predict image formation in the three-dimensional field ion microscope. Computer Physics Communications, 260, 107317.
   
7. 
   Machlin, E. S., Freilich, A., Agrawal, D. C., Burton, J. J., & Briant, C. L. (1975). Field ion microscopy of biomolecules. Journal of Microscopy, 104(2), 127–168.
   
8. 
   Takahashi, J., Kawakami, K., & Kobayashi, Y. (2014). In situ determination of misorientation angle of grain boundary by field ion microscopy analysis. Ultramicroscopy, 140, 20–25. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2014.01.011