Приложим электрическое поле
Приложим электрическое поле
Следующая группа методов, которую мы рассмотрим, связана с воздействием на поверхность больших электрических полей. Если на поверхности объекта есть большое поле, то возникает автоэлектронная эмиссия. При этом электрон проходит сквозь потенциальный барьер между металлом и вакуумом и попадает в область сильного ускоряющего поля (рис. 33).
Термоэлектронная эмиссия происходит, если энергия электрона превосходит работу выхода. Для автоэлектронной эмиссии этого не требуется, и зависит она от толщины потенциального барьера (рис. 33), которая определяется работой выхода и приложенным полем. Поэтому, измеряя автоэлектронный ток, можно определить работу выхода.
Простейший способ создать большое поле на объекте — это придать ему форму острия и приложить между острием и другим электродом некоторое, вполне умеренное, напряжение (рис. 40). В качестве другого электрода можно использовать экран, покрытый слоем люминофора — вещества, светящегося при попадании на него электронов. Тогда на экране мы увидим «автоэлектронное изображение» острия. Прибор, работающий на основе данного принципа, называется автоэлектронным проектором. При отношении радиуса экрана к радиусу острия 10 см: 0,1 мкм = 106 увеличение прибора равно 106, и 1 нм на острие увеличивается до 1 мм на экране. Так что анализируемая площадь может быть очень мала.
Глубина, с которой метод «берет информацию», интерпретация и чувствительность примерно такие же, как при измерении термоэмиссии, а вот оказываемое на объект влияние, очевидно, иное: вместо нагрева попользуется сильное электрическое поле. Оно может разорвать острие, и, как мы уже знаем, изменить условия сорбции газов на поверхности и ускорить поверхностную диффузию. Добавим, что, как и при исследовании термоэмиссии, имеет смысл определять энергии эмиттированных электронов: выходя из металла, электроны взаимодействуют с сорбированными атомами и теряют часть энергии. По этим потерям можно найти некоторые характеристики сорбированных атомов.
Теперь сделаем все наоборот — образец возьмем плоским, а острую иглу приблизим к нему на маленькое расстояние. Если начать двигать эту иглу вдоль поверхности, то зазор между иглой и поверхностью будет изменяться. Там, где из поверхности «торчит» атом, зазор будет уменьшаться, напряженность поля увеличиваться и ток автоэлектронной эмиссии, следовательно, тоже. Благодаря сильной зависимости тока от напряженности поля разрешающая способность метода оказывается весьма высокой. Практически удается «почувствовать» неровности порядка 10"10 м, т. е. отдельные атомы. Прибор, основанный на этом принципе, называется «растровый туннельный микроскоп».
Теперь изменим полярность напряжения, приложенного к проектору. В окрестности острия и на самом острие будет, как и раньше, большое поле, но противоположной полярности. Каких явлений следует ожидать? Прежде всего, аналогично автоэлектронной эмиссии — эмиссии ионов. Ее можно было бы назвать автоионной эмиссией, но стало общеприня
тым название «полевое испарение». Если поле вырывает из поверхности атом не основного материала, а сорбированный, применяется термин «полевая десорбция».
Как мы уже видели, большое поле имеет место не только на самом острие, но и в его окрестности. Поле может действовать на вещество, и если рядом с острием окажется молекула газа, то электрон может покинуть ее и перейти в острие. Получается автоэмиссия «наоборот». Образовавшийся ион направляется от острия к люминесцентному экрану и, закончив на нем свой путь, вспышкой даст нам знать о происшедшем. Ион должен беспрепятственно добраться до экрана. Для этого давление газа (его называют «изображающий газ») должно быть не слишком велико, чтобы длина свобод
ного пробега была больше расстояния до экрана. Разрешающая способность такого прибора (автоэлектронного проектора с измененной полярностью), именуемого «ионным проектором», настолько велика, что видны отдельные атомы, ибо около атомов наружного слоя материала острия поле больше и над ними ионизация происходит чаще (см. рис. 41).
Вспышки от отдельных ионов, конечно, слабы, но увеличить их яркость техника может. Есть специальные приборы, на
зываемые усилителями яркости, которые позволяют в безлунную ночь, лишь при свете звезд, видеть предметы почти как днем.
Воздействие на объект в ионном проекторе — это воздействие сильного электрического поля.
Ионный проектор позволяет не только увидеть отдельные атомы, но и узнать, что это за атомы. Если острие поворачивать, то все изображение на экране будет также поворачиваться (как поворачивается картина звездного неба в планетарии при вращении сферы с отверстиями и лампой внутри). Острие поворачивают так, чтобы изображение заинтересовавшего нас атома попало в специальное отверстие на экране. За этим
отверстием находится времяпролетный масс-спектрометр. На проектор подается короткий импульс напряжения, создающий поле, достаточное для десорбции выбранного атома. Он срывается с поверхности и пролетает через проектор в масс-спектрометр. По времени пролета можно определить, что это за атом. Такой прибор называется «атомный зонд», и позволяет он определять расположение и тип отдельных атомов на поверхности. Наверное, герой рассказа А. Ван-Вогта «Чудовище», живший во времена, когда люди научились считать атомы, с уважением пожал бы руку создателям атомного зонда.
Каждый новый инструмент увеличивает возможности человека. Сравните рытье ямы лопатой и руками, экскаватором и лопатой. Сравните человека, владеющего колесом и полозьями, калькулятором и счетами. А каждый новый инструмент познания увеличивает изученную человеком часть мира. С помощью атомного зонда было, например, обнаружено, что:
а) в сильных электрических полях атомы инертных газов поляризуются, притягиваются к металлу и сорбируются на нем;
б) после этого поле вызывает десорбцию с металлического острия не только сорбированных атомов инертных газов, но и десорбцию ионов WHe2+, ReHe2+, TaNe2 + ;
в) кроме этого, среди десорбированных с поверхности Ag, Си, Аи ионов есть комплексы металла и сорбированного газа, например Ag (Н2О)2+, где п = 1,…, 12, Си (N2)2 +, где п = 1 или 2, Аи(СО)2+, где п = 1 или 2;
г) наконец, сорбированные атомы, диффундируя по поверхности металла, иногда передвигаются не поодиночке и независимо, а группами или цепочками по несколько атомов.