атомный зонд

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 А. з. времяпролётного масс-спектрометра статическим магнитным (т. н. магнитный А. з.) 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 А. з. 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 А. з. 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.

А. з. 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.

Лит Мюллер Э В., Цонг Т. Т., Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение, пер. с англ , M., 1980. В. H Шредник.

   <<      Предметный указатель      >>