Атомный зонд

А́томный зонд — устройство для изучения атомной структуры поверхности твёрдого тела.

Физические основы

Файл:Оптический томографический атомный зонд.jpg

Рис. 1. Оптический томографический атомный зонд

Файл:Схема работы оптического атомного зонда.jpg

Рис. 2. Схема работы оптического атомного зонда

Впервые атомный зонд был представлен на представлен Эрвином Вильгельмом Мюллером и Дж. А. Паницем в 1967 году на 14-м симпозиуме по полевой эмиссии. Прибор представлял собой комбинацию полевого ионного микроскопа и масс-спектрометра, и с его помощью можно было определять природу отдельных атомов на поверхности металлов по выбору экспериментатора.

Атомный зонд, строго говоря, не является инструментом неразрушающего контроля, поскольку удаляет атомы или ионы из поверхности исследуемого вещества, подвергая их впоследствии изучению без возврата обратно в материал образца. Извлечённый атом или ион изучается методами вермяпролётной масс-спектрометрии, что позволяет вычислять массу и заряд извлечённых атомным зондом частиц.

С помощью атомного зонда стало возможным изучение структуры материала путём послойного испарения атомов, и с помощью вычислительных методов, помимо типа составляющих его частиц, восстанавливать трёхмерную структуру материала в атомных масштабах и объёмах вещества в пределах от 10 000 до 10 000 000 нм³.

Изображающие атомные зонды позволяют анализировать атомы на поверхности вещества (чаще всего металла).

Принцип работы атомного зонда основан на явлении ионизации атомов или частиц вещества электрическим полем. Короткий электромагнитный импульс испаряет атом вещества, находившийся на поверхности, ионизирует его, и с помощью направляющего приспособления отправляет в зону дрейфового пространства, а затем в специальный детектор. Время прохождения дрейфового пространства зависит от свойств иона; измерения времени пролёта позволяют вычислить отношение массы иона к его заряду, что является характерной особенностью иона, позволяющей определять его природу. Использование электронных умножителей позволяет исследовать нуклиды любых элементов Периодической таблицы Д. И. Менделеева, однако при изучении полупроводников ограничения возникают из-за природы электромагнитного импульса (для испарения атомов необходим импульс порядка 10 нс, фронт импульса должен быть очень крутым).

Отношение массы иона к его заряду можно найти по формуле:

${\frac {m}{n}}=-2eU_{1}{\Biggl (}{\frac {t}{f}}{\Biggl )}$,

где $m$ — масса иона, $n$ — состояние ионизации атома, $e$ — элементарный заряд электрона, $U_{1}$ — приложенное напряжение, $t$ — время пролёта, $f$ — сила.

Для изучения с помощью атомного зонда полупроводниковых и диэлектрических материалов применяют магнитный атомный зонд, в котором фокусировка производится магнитным полем, а требования к электромагнитному импульсу снижаются. Управление магнитным полем обеспечивает высокое разрешение по массам испарённых ионов и достаточно яркое изображение протекающих процессов в детекторе, что позволяет визуализировать процессы на поверхности материалов.

Применение фокусирующих элементов позволяет управлять апертурой атомного зонда, формируя групповые пучки в дрейфовой зоне и их фиксацию в детекторе. В каждом таком пучке отношение массы иона к его заряду одинаковое, что позволяет разделить ионы по их природе. Такие исследования особенно важны при изучении анизотропных материалов, а также локальных дефектов, размеры которых сравнимы с размерами атомов изучаемого материала.

Оптический атомный зонд показан на рисунке 1, а схема его работы — на рисунке 2. Здесь 1 — образец, 2 — кольцо, 3 — испарённые атомы (ионы), 4 — рефлектрон, 5 — микроканальные пластины, 6 — фосфорный экран, 7 — CDD камера. На образец подаётся постоянное напряжение $V_{dc}$ (несколько киловольт), на кольцо — импульсное напряжение $V_{p}$ (с частотой 2 кГц), а $V_{ref}$ — напряжение на рефлектоне. В системе поддерживается вакуум (давление порядка $(5\div 7)\times 10^{-10}$ Торр, температура образца может находится в пределах 13-100 К.

Применение

Атомные зонды применяются для изучения металлов, плёнок на поверхности металлов, нуклиды, оксидные плёнки, фазовые границы в мультифазных материалах, сплавы, дефекты кристаллической структуры, радиационные дефекты, новые материалы в материаловедении.

Литература

• Мотт Н., Месси Г. Теория атомных столкновений. — Москва : Мир, 1969.
• Миллер М., Смит Г. Зондовый анализ в автоионной микроскопии: Принципы и приложения в материаловедении. — Москва : Мир, 1993.
• Michael K. Miller, George D.W. Smith, Alfred Cerezo, Mark G. Hetherington (1996) Atom Probe Field Ion Microscopy Monographs on the Physics and Chemistry of Materials, Oxford: Oxford University Press..
• Michael K. Miller (2000) Atom Probe Tomography: Analysis at the Atomic Level. New York: Kluwer Academic.
• Baptiste Gault, Michael P. Moody, Julie M. Cairney, SImon P. Ringer (2012) Atom Probe Microscopy, Springer Series in Materials Science, Vol. 160, New York: Springer.
• David J. Larson, Ty J. Prosa, Robert M. Ulfig, Brian P. Geiser, Thomas F. Kelly (2013) Local Electrode Atom Probe Tomography — A User’s Guide, Springer Characterization & Evaluation of Materials, New York: Springer.

Ссылки

• Атомный зонд
• Времяпролётный атомный зонд. Патент.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Атомный зонд», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Атомный_зонд» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».