Электронный проектор (или Автоэлектронный микроскоп) -(или Field emission microscopy) безлинзовый электронно-оптический прибор для получения увеличенного в миллионы раз изображения поверхности твердого тела. Изобретен в 1936 немецким физиком Э.Мюллером [1].
Его конструкция содержит катод в виде проволочки с точечным эмиттером на конце, радиус кривизны которого м. Анод изготовляется в виде полой сферы, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора и металлизацией. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление )мм.рт.ст. Когда на анод подается положительное напряжение в несколько тысяч вольт относительно игольчатого катода, напряженность электрического поля вблизи точечного эмиттера достигает В/м). Это обеспечивает интенсивную автоэлектронную эмиссию. Эмитированные электроны ускоряясь в радиальных направлениях, бомбардируют экран, вызывая свечение люминофора, и создают на экране увеличенное контрастное изображение поверхности катода, отражающее ее кристаллическую структуру. Увеличение электронного проектора равно отношению радиусов внешней сферы к радиусу точечного эмиттера (). Разрешающая способность ограничена наличием тангенциальных составляющих скоростей автоэлектронов у кончика острия и в меньшей степени — дифракцией электронов.
Содержание |
Мюллер Эрвин Вильгельм (13.06.1911-17.05.1977) изобрел в 1936 автоэлектронный микроскоп, показал (1943) ограничение разрешающей способности автоэлектронного микроскопа. В 1950 получил первое детальное изображение молекулы с помощью автоэмиссионного микроскопа. В 1951 изобрел автоионный микроскоп, получив изображение поверхности эмиттера с помощью положительных ионов водорода и достигнув с помощью ионного проектора атомарного разрешения. В 1956 открыл явление испарения под действием поля. Добился прямого наблюдения на атомном уровне кристаллической решетки и ее дефектов (1958), возможности непосредственно подсчитывать концентрации вакансий и получил изображения дефектов структур — полос скольжения и двойников (1959). Впервые наблюдал (1967) доменные структуры при фазовых превращениях порядок — беспорядок, получил изображение биологических молекул. Создал (1968) ионный проектор с атомным зондом, способный идентифицировать выбранный отдельный атом на металлической поверхности.
В последнее время интенсивные работы по улучшению разрешающей способности электронного проектора ведутся в Харьковском физико-техническом институте (Украина). Группа харьковских физиков под руководством проф. И.Михайловского [2] использовала полевой автоэлектронный микроскоп 1936 года (он же «электронный проектор»), который был изобретен в 30-е годы прошлого столетия Эрвином Мюллером. Разрешение у него скромное, но им удалось впервые как бы «идеально навести на резкость» этот микроскоп и реализовать его теоретический предел разрешения. Таким образом были получены портреты атомов с неслыханным доселе фантастическим увеличением — в десятки миллионов раз. Фокус состоит в том, что разрешение этого микроскопа крайне существенным образом зависит от конфигурации образца. В нашем случае — это одномерная углеродная нить. То есть вертикальная последовательная цепочка из нескольких десятков атомов углерода, которая одним концом закреплена, а второй остается свободным.
Суть метода состоит в том, что образец размещается на подложке в условиях высокого вакуума и низкой температуры. При этом вокруг электрода создается электрическое поле максимальной напряженности, о котором вообще может идти речь в связи с физикой твердого тела. Под действием напряжения последний атом в цепочке начал испускать электроны на внешний экран, покрытый фосфором. В результате и удалось получить изображение, где видны области нахождения электронов вокруг атомного ядра.
Карбоновая нить была получена в процессе институтских разработок по изготовлению одномерных углеродных нитей. Причем наши расчеты показали, что прочность таких нитей превосходит все, что было известно к тому времени. В частности, энергия углеродной связи в одномерной цепочке оказывается большей, чем в алмазе. Это самая прочная связь, известная физикам. Наша цивилизация сейчас активно осваивает нанотехнологии, и, на наш взгляд, вершиной этого процесса будет применение углеродных одноатомных нитей. Это как бы «скелет» всего будущего нанопроизводства — передний край науки.
Типичный электронный проектор представляет собой сферический конденсатор с внешним радиусом значительно большим за внутренний (). Наиболее интересен граничный случай, когда внутренний радиус точечного эмиттера совпадает с радиусом Бора (отличия радиусов отдельных атомов от данного значения здесь не существенны):
где — характеристическая длина электрона, а — постоянная тонкой структуры.
Масштаб частоты на масштабе Бора равен значению:
где — приведенная постоянная Планка, а кг — масса электрона.
Масштаб тока на масштабе Бора (одноэлектронный) равен значению:
где — заряд электрона. Таким образом, внутренняя сфера электронного проектора ограничивает поступление электронов. Более того, они здесь поступают поштучно! Плотность тока на внутренней сфере равна:
где — двухмерная плотность заряда на сфере Бора.
Плотность тока на внешней сфере пока неизвестна:
где — двухмерная плотность заряда на внешней сфере. Другими словами, мы пока не знаем заряда и частоты на внешней сфере электронного проектора. Значение частоты на внешней сфере можно найти из условия равенства зарядов . Тогда отношение частот будут равно: , где учтено типичное значение внешнего радиуса м. Таким образом, частота изменения заряда на внешней сфере будет равна:
где — частота колебаний резонатора, который образуется внешней сферой, а — характеристическая частота электрона. Теперь мы можем найти заряд на внешней сфере:
Учитывая непрерывность тока через сферический конденсатор, имеем:
Другими словами, оценка частоты на внешней сфере оказалась вполне осмысленной и привела к верному результату.
Таким образом, при исследовании электронных проекторов с предельным значением размеров эмиттера, необходимо обеспечить большое количество свободных электронов на внешней сфере (более шестнадцати порядков!) для того, чтобы через внутреннюю сферу (эмиттер) проходило только по одному электрону.
Достаточно интересным является вопрос о суммарном токе, протекающем через «вакуумный диод» электронного проектора. Учитывая дискретность изменения заряда на точечном эмиттере, электрический ток также будет изменяться дискретно:
где . Узловые значения напряжений на электронном проекторе будут равны:
Электронный проектор.