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Betriebsbedingungen des Tieftemperatur-Feldionenmikroskopes.

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Be triebsbedingungen
des Tieftemperafur-Fefdionenmikroskopes
Von E r w i n W. M i i l l e r
Nit 8 Abbildungen
Herrn Prof. Dr. Gustav Hertz zum 70. Geburtstage gewidmet
Inhaltsiibersicht
Es werden einige weitere experimentelle Erfahrunqen mit, dem Tiefteniperatur -Feldionenmikroskop rui tge teil t .
Das Feldemissionsmikroskopl) entstand 1936 in1 Forschungslaboratorium
von G. H e r t z . Seitdem hat es sich als ein nutzliches Instrument zur Erforschung von Metalloberflachen erwiesen. Mit entsprechenden Versuchstechni ken kann die Oberflache im reinen Zustand oder mit atomaren Adsorptionsschichten bedeckt in einem Teniperaturbereich von 4" K bis 9000" K
heobachtet werden. Betreibt man
das Mikroskop mit positiven Ionen2)
und insbesondere bei tiefen Temperaturen3), so ubertrifft es in VergroRerung und duflosung alle anderen
bekannten mikroskopischen Einrich tungen, indem es die Auflosung des
atomaren Gitters der Metalloberflache ermoglicht. Die Anwendbarkeit unter optimalen Bedingungen
ist nur auf die wenigen hochschmelzenden Metalle beschrankt, wie sich
am der Betrachtung der Arbeitsweise unmittelbar ergibt. Da der
seh r koni plexe A bbildungsmechanisl) E. W. J l u l l e r , Z. Physik 106, 541
(1937), Ergebn. exakt. Naturwiss. 27, 390
(1953).
2, E. W. Miiller, Z. Physik 131, 136
(1951).
3, E. W. M u l l e r , Z. Naturforsch. l l a ,
88 (1956); J. Appl. Physics 27, 474 (1956);
R. H. Good, jr. u. E. W. Miiller, Handbuch dcr Physilr 21, 1 7 1 (1956).
Schirrn
Abb. 1. Versuchsrohr
316
Annulen der Physik. 6 . Folge. Band 20. I957
mus noch nicht in allen Einzelheiten verstanden ist und selbst bei Kenntnis
aller Einzelvorgange schwerlich streng behandelt werden kann, sollen hier
einige weitere experimentelle Erfahrungen mitgeteilt werden.
Die beste Auflosung ist in einem Versuchsrohr nach Abb. 1 mit Heliurnjonen erreichbar, wenn die emittierende Spitze auf etwa 20" K gekuhlt ist.
Die seitlich angebrachte Atom- und Ionenstrahlquelle dient Zuni BeschuB
des Objektes in Versuchen, die hier nicht betrachtet werden sollen. Der Vorgang der Abbildung wurde bereits in vorangehenden Arbeiten3) beschrieben :
Das Mikroskop enthalt Helium von etwa 1 Mikron Druck. Thermische Bewegung und Anziehung durch Polarisation bringen
z = 80 p '$/a ?'"z T&'/2 k"/l T"4
(1)
Atonie pro see z u r Spitze. ( p = Druck in dyn/cm2, (Y = Polarisierbarkeit,
I' = Spannung a n der Rohre, ro = Spitzenradius, n~ = Masse des Gasatoms,
k = Boltzniannkonstante, T = Gastemperatur). Die Ionisierung erfolgt durch
Austunneln eines Elektrons dicht oberhalb der Oberflache, und zwar hauptsachlich von Atomen, die vorher schon die kalte Spitzenoberflache beriihrt
hatten und nach Akkomodation mit geringer Translationsgeschwindigkeit
wieder verdampfen. Diese Atonie entfernen sich von der Oberflache nur bis
zu einer mittleren Sprunghohe
h = 3 k T,r0/4 n F2
(2)
( T , = Spitzenteniperatur, F = Feldstarke an der Oberflache) urid kehreri
dann znruck, und dieser ProzeB wiederholt sich, his irgendwann die Ionisation durch Austunneln des Elektrons eintritt, vornehmlich in Gebieten, wo
die Feldstarke uber herausstehenden Metallatomen lokal erhoht ist. Ionisation kann nur in eirier Entfernung von der Oberflaehe
h
2 (rl- @ ) / F
( 3)
erfolgen, weil nur von da a b das Grundniveau des Elektrons oberhalb des
Perminiveaus ini Metall liegt und das Elektron eintreten kann (TTI = Ionisierungspotential des Gasatoms, @ = Austrittspotential des Metalles). Es ist
einleuchtend, daB die beste Auflosung erreicht werden kann, wenn die Mehrzahl der Ionen moglichst dicht an der Oberflache entsteht. Daher sollte die
Spitzentemperatur so gewahlt werden, daS die mittlere Sprunghohe gleich der
Mindestentfernung der erlaubten Ionisierung ist :
T3 = 4 (Y F ( Vl
-
@)I3k ro.
(4)
Die fur die Ionisierung gunstigste Feldstarke kann nur sehr ungenau durch
angenaherte Berechnung der Austunnelwahrscheinlichkeit ermittelt werden.
Bei der experimentell gefundenen Feldstarke grofiter Bjldscharfe von F =
400 MV/cni fur Helium ergibt sich eine optimale Temperatur von 17" K,
d. h. praktisch die Temperatur des flussigen Wasserstoffes. Es sei bemerkt,
da13 der absolute Wert der optimalen Feldstarke nur auf & 10% genau bekannt ist, dafi aber die relative Einstellung des Feldes innerhalb 2!(, kritisch
ist, und da13 die weiter unten angegebenen Feldstarken sich alle auf die als
400 MV/cm angenommene Feldstarke fur Helium beziehen.
Fur Neon erhalt man am (21. (4) als giinstigste Temperatur bei der experimentell besten Feldstarke von 350 MVIcm 25" K, also praktisch ebenfalls
E. W . Miiller: Betriebsbedingungen des Tieftemperatur-Feldionenmikroskopes
31 7
Wasserstofftemperatur. Unverstandlich bleibt, warum bei der gleichen Spitze
und gleichem Gasdruck das Leuchtschirmbild mit Neon etwa 12mal schwacher
erscheint als das Heliumionenbild. Wegen der doppelt so gro13en Polarisierbarkeit des Neons mu13 das Mikroskop auch niit niedrigerem Gasdruck betrieben werden, um unzulassig starke Streuung der Ionen auf ihrem Wege zum
Schirm zu vermeiden. Ein Neonionenbild ist daher sehr lichtschwach. Es
wird auljerdem durch eine Lichterscheinung im Gasraum um die Spitzenschleife im Kontrast verschlechtert.
Im Falle voii Wasserstoff ist noch nicht festgestellt worden, wie grog der
relative Anteil von Atom- und Molekulionen im Bilde ist. Nach I n g h r a m
und Gome r s4) niassenspektroskopischen Untersuchungen uberwiegen bei
kleinen Feldstarken die Molekiilionen und bei groBeren die Atomionen, aber
es ist nicht bekannt, wo der optimale Arbeitspunkt fur die niikroskopische
Xbbildung liegt. Auch wurden diese Messungen an einer mit adsorbiertem
Sauerstoff bedeckten Wolframoberflache ausgefuhrt. Sauerstoff beginnt etwa
bei 400 MV/cm zu desorbieren. Vermutlich ist bei tiefen Temperaturen und
vollkommener Akkomodation mit einer Dissoziation des Wasserstoffmolekuls
zu rechnen. Die optimale Temperatur fiir atomaren Wasserstoff ware 10,3" K,
fur molekularen 18,7' K.
Experimentell ergibt sich, da13 man mit Helium und Kuhlung mit fliissigem
Wasserstoff benachbarte Wolframatome von 2 , i 4 d Abstand, wie sie in den
Ketten quer zu den [l 1 11-Zonenlinien vorkommen, gerade eben trennen
kann (Abb. 2 u. 3). Der Spitzenradius scheint dabei nicht von grogem Ein-
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 2 u. 3. dbbildung mit Helium
(%OK)
flu13 zu sein, solange er klein genug ist, um die in Anbetracht des Leuchtschirm- und photographischen Kornes erforderliche VergroBerung zu liefern.
Aus diesem Grunde und auch um die zur Erzeugung der 400 MV/cm erforderliche Spannung nicht zu hoch zu treiben wurde bisher hauptsachlich mit
Spitzenradien unter 1000 b gearbeitet. Beim Batrieb mit Neon ist die Bildscharfe ein klein wenig besser, es konnen die 2,74 d-Atomketten haufiger
aufgelost werden als mit Helium. Mit Wasserstoff erhalt man keine bessere
4)
M. G. I n g h r a m and R. G o m e r , J. chem. Physics 23, 1279 (1954).
31 8
Annalen der Physik. 0'. Folge. Band 20. 1957
Auflosung als etwa 4,5 A, und der Bildkontrast ist auch viel geringer als bei
Helium.
Die vergleichsweise zum Helium bessere Auflosung beim Neon weist auf
einen bisher noch nicht erklarten Masseneffekt hin. Es wurden daher weitere
Versuche rnit Wasserstoff und Deuterium an derselben Spitze unmittelbar
nacheinander, so daB dieselben Atome auf der Oberflache gesehen werden
konnten, angestellt. Da auf eineni Wolframkristall nur Abstande von 2,74 A,
3,16 A, 4,47 d, 5,23 A usw. vorkommen, wurden zur genaueren Beurteilung
der Bildqualitat noch weitere einzelne Wolframatome durch Aufdampfen auf
die sonst glatte [0 1 11-Ebene kondensiert. Abb. 4 zeigt die Oberflache mit
Deuterium abgebildet. Auf die Wiedergabe
des Vergleichsbildes mit Wassers toff kann
hier verzichtet werden. Es erscheint praktisch identisch, nur ist die allgemeine Bildscharfe um schatzungsweise 309; geringer.
Der Masseneffekt konnte qualitativ dadurch erklart werden, dalj zwar die verschieden schweren Atome nach ($1. (2) im
Mittel die gleiche Hohe beim Herumhupfen
auf der Oberflache erreichen, dalj aber die
schwereren langsanieren Atome sich langer
am inneren Rand der Ionisierungszone aufhalten, wo die Ionisierungswahrscheinlichkeit
sehr viel groUer ist. Im Mittel werden daher
Abb. 4.Abbildung mit Dcutcrium
die Ionen der schwereren Isotope naher an
(20" I()
der Oberflache entstehen und mehr Einzelheiten abbilden konnen.
Die vergleichsweise gute Qualitat der Heliumionenbilder h a t vermutlich
noch eine andere Ursache. Bei der groljen Feldstarke von 400 MV/cm konnen
keine gasformigen Verunreinigungen die Oberflache erreichen, so daB die
einmal durch Feldverdampfung gereinigte Oberflache selbst bei nioht besonders guten Vakuumverhaltnissen beliebig lange vollig unverandert gehalten
werden kann. Mit dem hierfiir speziell entwickelten Farbphotoverfahren des
Bildvergleiches konnte experimentell festgestellt werden, da13 im Verlauf
von Stunden auch nicht ein einziges Fremdatom angelagert wird. Wenn aber
Sauerstoff einmal chemisch gebunden ist, wird er bei 400 MV/cni noch nicht
vollstandig desorbiert. Es diirfte sicher sein, dalj Wasserstoff bei tiefen
Temperaturen und der Betriebsfeldstarke von 200 MV/cm auf einer Wolframoberflache fest adsorbiert ist. Die kleinen Wasserstoffatonie sitzen vermutlich
in den zuriickliegenden Kanten langs der Gitterstufen, wodurch die lokale
Feldstruktur in der Ionisierungszone wesentlich ausgeglichen wird. Das
Ionenbild mu13 dann Konstrat und Auflosung verlieren. Trotzdem ist es notig,
die Eignung anderer Gase als Helium fur die Abbildung zu untersuchen. Bei
400 MV/cm besitzen nur die Metalle Wolfram, Rhenium, Tantal uiid Molybdan
eine genugend geringe Feldverdampfungsgeschwindigkeit,um lange Belichtungszeit,en ohne Bildanderung zu gestatten. Bei den knapp 200 MV/cm die
fur die Abbildung mit Wasserstoffionen benotigt werden, sind dagegen zahl5)
E. W. M u l l e r , Z. Elektrooliem. Iin Druck.
E. W . hf uller: Betriebsbedingungen des Tieftemperalur-Feldionenmikroskopes
319
reiche andere Metalle beobachtbar. Kupfer zeigt z. B. bei etwa 250 MV/cm
und 80" K eine Feldverdampfungsgeschwindigkeit von einer Atomlage pro
see, so darj bei Kuhlung mit Wasserstoff und nur 200 MV/cm Abbildungsfeld
brauch bare Bilder erhalten werden konnen.
Nach den bisherjgen Erfahrungen kann
man leider nicht auf die Kuhlung mit flussigem Wasserstoff verzichten, wenn man einz
gute Auflosung erstrebt. Bei der Temperatur
des flussigen Stickstoffs kann man mit
Helium noch die atomare Struktur der Oberflache erkennen, wahrend bei Abbildung mit
Wasserstoffionen die atomaren Qitterstufen
kaum norh zu erkennen sind. Die Qitterstufen, die vom Verfasser2) und spater von
D r e c h s l e r und Mitarbeitern6) mit Wasserstoff bei Zimmertemperatur abgebildet worden sind, stellen immer Stufen von einem
Abb. 5. Abbildung bei 2oo fi
Mehrfacheii eines Netzebenenabstandes dar.
Doppelte Stufen bilden sich beispielsweise auf Wolfram aus, wenn ein Feld von
etwa 200 MV/cm bei 600" C! kurzzeitig angelegt wird, oder in ahnlicher Weise,
wenn ohne angelegtes Feld die Oberflaiche mit einer adsorbierten Sauerstoffschicht auf iiber 600" C erhitzt wird (Abb. 5--7). Durrh Feldverdampfung
Abb. 6. Abbildung bei 600°K
Abb. 7. Abhilduni bei 100°K
bei niedriger Temperatur ksnnen dahn die Doppelstufen wieder zu einfachen
abgebaut nerden, weil an den vorstehenden Kanten die Feldstarke besonders
hoch ist.
Die Reinigung der Spitzenoberflaclie durch Felddesorption und Feldverdampfung') kann dazu benutzt werden, von Adsorptionsschichten vollkommen
freie Oberflache ohne Erhitzen und unter nur maiBigen Vakuumbedingungen
herzustellen. hlit Heliurnionen konnen Bilder \vie ,4bb. 2 u. 3 In nicht aus6)
7)
M. D r e c h s l e r , U. P a n k o w u. R. V a n s e l o w , Z. phpik. Chem. 4, 249 (1964).
E. W. Muller, Physic. Rev. 105, 618 (1966).
390
Annalen dcr Physik. 6. Folge. Bund 20. 1957
geheizten Mikroskoprohren erhalten werden, und es eroffnet sich die Moglichkeit, ein Tieftemperatur-Feldionenmikroskop niit leicht auswechselbarer
Spitze und Innenphotographie zu konstruieren. Damit kann die Oberflachenstruktur von kalt bearbeiteten Metallen untersucht werden. Abb. 8 zeigt als
Beispiel einen kalt gezogenen Wolframdraht, der elektrolytisch bei Zinimertemperatur angespitzt wurde und in einem nicht aungeheizten Mikroskop
photographiert wurde. Durch Feldverdampfung bei Zimmerteniperatur
)
einzelne Atome oder beliebig
(500 MV/cm) oder bei 80" K (550 M v / c ~ i konnen
viele Atomlagen von der Oberflache abgetragen werden.
Die Objektbeeinfiussung durch den Abbildungsvorgang ist abgesehen von dee Feldverdampfung lose gebundener Adsorptionsschichten oder hervorstehender Atome sehr
gering. Die auf treffeiiden polarisierten Gasatome haben eine Energie von l / z F2,
~ entsprechend 0,11 eV fur Helium bei 400 MV/cm.
Die Verdampfungsenergie von Metallionen irn
Feld ist
6, =A
+ e r,;
- e @ - ].'e3F
(5)
Abb. 8. Abbildung mit Helium (.I = Verdampfungswarrne und T',
= Ioninicht ausgrheiztenMikroskop- sierungspotential des Metallatoms), wobei der
rohr (20" It()
letzte negative Summand die Erniedrigung
der Energieschwelle durch den S c h o t t k y Effekt beschreibt'). Fur Wolfram bei 400 MV/cni und einem lokalen Felderhohungsfaktor von 1,4 ergibt sich eine Verdampfungswarme von 3,36 eV,
also ganz erheblich grol3er als die Auftreffenergie der polarisierten Atome.
'
Die Oberflache wird weiter durrh die von den Gasatomen ausgetunnelten
Elektronen aufgeheizt. Sie treten unter optimalen Abbildungsbedingungen
dicht oberhalb des Ferminiveaus ein und iibertragen also nur Energien von
der GroBenordnung 1eV auf das Metall, was bei der hohen Warmeleitung
nur zu einer auBerst geringen Aufheizung fiihrt. Um dies iiberzeugend zu
dernonstrieren, wurde die Aufheizung unter extremen Bedingungen gemessen.
Bei einem Druck von 40 Mikron Helium und einer Feldstarke von 500 MV/cm
war der Ionenstroni von einer Spitze niit 800 A Radius etwa lo-* A. Die
Feldstarke ist so groI3, daI3 die Ionisierung im Mittel schon bei etwa 25 A Abstand vor der Spitze eintritt. Die Elektronen treffen daher die Spitze mit
etwa 100 eV Energie und einer Eneriiedichte von grol3enordnungsmailg
10 kW/cm2. Die bei diesem Versuch mit flussigem Stickstoff gekuhlte Spitze
erwiirriite sich dabei um 56", wie aus der Geschwindigkeit der Feldverdampfung
einwaridfrei gemessen werden konnte. Unter normalen AbbiIdungsbedingungen
ist die Stromdichte 50mal geringer, die mittlere Elektronenenergie ebenfalls
um denselben Betrag, und die Warmeleitfahigkeit der Spitze ist bei Wasserstofftemperatur hoher. Daraus ergibt sich, dal3 die Oberflache praktisch kalt
bleibt. Die Spitze wird weiter noch von einigen schnellen Elektronen getroffen,
die im Gasvolumen oder am Schirm ausgelost werden. Ein Versuch, in den1 die
Spitze bei angelegtem Feld von 400 MV/cni mit Elektronen von 20 kV bei
3.W . Miiller: Betriebsbedingungen des Ti€~tem?leratur-Feldionenmikroskopcs 321
einer geschatzten Stromdichte von 1 puA/cni2 beschossen wurde, ergab
das Verschwinden von 5 Oberflaichenatomen innerhalb einer Minute, also ein
vernachlassigbarer Effekt.
U n i v e r s i t y P a r k , Pa., USA., the Pennsylvania State University.
Bei der Redaktion eingegangen am 5. April 1957.
*411n.Physik. 6. Folge, Bd. 20
21a
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