用高分辨力热场发射显微镜观察Zr原子在W尖上的吸附

　　1937年E.W.muller[1]发明场发射显微镜(FEM)(图1),直到最近[2],人们一直认为FEM的分辨力只能在2 nm上下,因而不能像场离子显微镜(FIM)那样可以分辨原子[3].

　　普遍认为这是由于在相同能量下电子的波长比离子波长长.其次成像电子的横向速度也比离子大.但这些并非限制FEM分辨力的根本原因,因为电子波长的减短及横向速度的减小均可通过提高加速电压而得到改进.认真分析FEM分辨力公式及考虑到实验上可以达到的条件,我们认为FEM的分辨力在理论上可以接近0.1 nm,2 nm并不是FEM的理论极限,而是人们在实际上一直未能用FEM所超过的水平.其原因在于人们对FEM成像中空间电荷的影响认识不足.如能控制空间电荷大小并将其影响降到最小程度.FEM的分辨力可以达到0.2 nm以下.而利用FEM观察晶体尖端表面原子结构及原子活动情况应是可能的.

　　1　获得高分辨力热场发射显微镜(HRT-FEM)的方法

　　1·1　FEM的分辨力

　　FEM是利用强电场(107~108V/cm)使由被研究材料制成的尖端发射“场发射电子”,并加速投射到与尖端相对的萤光屏上以显示尖端微观结构的仪器.由于屏上的图像是尖端上电子云分布的直接投影,因此放大倍数就是尖端到萤光屏距离R与尖端曲率半径r之比,即M=R/r.因而只要r能做得足够小放大倍数可以达到数百万甚到千万倍.这样的放大倍数足以将一个原子放大到数毫米.但是要能看到原子,仅有高放大倍数还不充分,还要看所用的设备能否将原子在显示的图形上分辨得清楚.有关FEM的分辨的计算E·W·Muller已经给出了,在他的基础上,我们适当改写为:

　　其中r(cm)为尖端曲率平径;β为放大倍数修正量一般可取为1·5;ε(V/cm)为尖端场强; U(V)为加速电压;Φ(eV)为尖端材料的逸出功.在r =5×10-7cm,ε=2×107V/cm;Φ=3 eV;而U=10 kV时,由(1)试计算得δ0=0.19 nm,即达到可分辨原子的水平,这结果与公认的2 nm高了一个数量级.这个分歧不是一个分辨力的理论问题,而是一个成像的实际条件问题.

　　1·2　空间电荷对FEM图像的影响

　　众所周知,场发射电流密度比热发射电流密度大几个数量级,因而场发射电流在尖端前面所形成的空间电荷比较严重.由于场发射显微镜是利用尖端分布的电子云投影到萤光屏以反映尖端细结构的仪器,空间电荷的存在必然干扰或屏蔽反映尖端精细结构的电子云分布.一般讲场强愈小,空间电荷层愈薄,萤光屏上放大图像就愈能反映尖端表面的真实情况.照片1~4给出我们所摄得的在不同场强及对应场发射电流下一组Zr/W(110)尖的高分辨力热场发射显微图(HRTFEM).从照片1可见,当场强在3.6×107V/cm时,场发射电流仅为0.2μA,此时在照片上吸附在钨上的锆原子清晰可见,分辨力优于0.2 nm以上.但随着场强的增加,场发射电流很快上升,空间电荷影响也愈来愈严重,尖端直接表面上清晰图形发生严重畸变(照片2,3).当场强增加到2.5×108V/cm时总发射电流已增到900μA,所得的TFEM图形已失去表面结构的特征,只能隐约可见代表几个低指数晶面的黑点与亮区.这就是当前一些资料所发表的FEM图形[4,5].