La microscopía de emisión de campo ( FEM ) es una técnica analítica utilizada en la ciencia de los materiales para investigar las estructuras de la superficie molecular y sus propiedades electrónicas. [1] Inventado por Erwin Wilhelm Müller en 1936, el FEM fue uno de los primeros instrumentos de análisis de superficies que se acercó a una resolución casi atómica .
Introducción
Las técnicas de microscopía se utilizan para producir imágenes ampliadas en el espacio real de una superficie que muestra cómo se ve. En general, la información de microscopía se refiere a la cristalografía de superficie (es decir, cómo se organizan los átomos en la superficie), la morfología de la superficie (es decir, la forma y el tamaño de las características topográficas que forman la superficie) y la composición de la superficie (los elementos y compuestos de los que se compone la superficie). .
La microscopía de emisión de campo (FEM) fue inventada por Erwin Müller en 1936. En FEM, el fenómeno de la emisión de electrones de campo se utilizó para obtener una imagen en el detector sobre la base de la diferencia en la función de trabajo de los diversos planos cristalográficos en la superficie. .
Diseño
Un microscopio de emisión de campo consiste en una muestra metálica en forma de punta afilada y una pantalla fluorescente conductora encerrada en un vacío ultra alto. El radio de la punta utilizado es típicamente del orden de 100 nm. Está compuesto por un metal con un alto punto de fusión , como el tungsteno . [2] La muestra se mantiene a un gran potencial negativo (1–10 kV) en relación con la pantalla fluorescente. Esto hace que el campo eléctrico cerca del vértice de la punta sea del orden de 10 10 V / m, que es lo suficientemente alto como para que se produzca la emisión de campo de electrones.
Los electrones emitidos por el campo viajan a lo largo de las líneas del campo y producen parches brillantes y oscuros en la pantalla fluorescente, dando una correspondencia uno a uno con los planos de cristal del emisor hemisférico. La corriente de emisión varía mucho con la función de trabajo local de acuerdo con la ecuación de Fowler-Nordheim ; por lo tanto, la imagen FEM muestra el mapa de función de trabajo proyectado de la superficie del emisor. Las caras muy compactas tienen funciones de trabajo más altas que las regiones atómicamente rugosas y, por lo tanto, se muestran en la imagen como puntos oscuros en el fondo más brillante. En resumen, la anisotropía de la función de trabajo de los planos de cristal se mapea en la pantalla como variaciones de intensidad.
El aumento viene dado por la relación , dónde es el radio del ápice de la punta, y es la distancia entre la punta y la pantalla. Se obtienen aumentos lineales de aproximadamente 10 5 a 10 6 . La resolución espacial de esta técnica es del orden de 2 nm y está limitada por el momento de los electrones emitidos paralelos a la superficie de la punta, que es del orden de la velocidad de Fermi del electrón en el metal.
Es posible configurar un FEM con un orificio de sonda en la pantalla de fósforo y un colector de copa Faraday detrás para recolectar la corriente emitida desde un solo plano. Esta técnica permite medir la variación de la función de trabajo con orientación para una amplia variedad de orientaciones en una sola muestra. El FEM también se ha utilizado para estudiar los procesos de adsorción y difusión superficial , haciendo uso del cambio de función de trabajo asociado con el proceso de adsorción.
La emisión de campo requiere un muy buen vacío y, a menudo, incluso en vacío ultra alto (UHV), la emisión no se debe a la superficie limpia. Un emisor de campo típico necesita ser "flasheado" para limpiarlo, generalmente pasando una corriente a través de un bucle en el que está montado. Después de parpadear, la corriente de emisión es alta pero inestable. La corriente decae con el tiempo y en el proceso se vuelve más estable debido a la contaminación de la punta, ya sea por el vacío, o más a menudo por la difusión de especies superficiales adsorbidas a la punta. Por lo tanto, la naturaleza real de las puntas FEM durante el uso es algo desconocida.
La aplicación de FEM está limitada por los materiales que pueden fabricarse con la forma de una punta afilada, pueden usarse en un entorno UHV y pueden tolerar los campos electrostáticos elevados. Por estas razones, los metales refractarios con alta temperatura de fusión (por ejemplo, W, Mo, Pt, Ir) son objetos convencionales para experimentos FEM.
Ver también
Referencias
- ^ "Introducción a la emisión de campo" . Emisión de campo / Laboratorio de microscopía iónica, Universidad de Purdue, Departamento de Física. Archivado desde el original el 3 de mayo de 2007 . Consultado el 10 de mayo de 2007 .
- ^ Stranks, DR; ML Heffernan; KC Lee Dow; PT McTigue; GRA Withers (1970). Química: una visión estructural . Carlton, Victoria : Melbourne University Press. pag. 5. ISBN 0-522-83988-6.
- 2. K.Oura, VGLifshits, A.ASaranin, AVZotov y M.Katayama, Surface Science - An Introduction, (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003).
- 3. John B. Hudson, Surface Science - An Introduction, (BUTTERWORTH-Heinemann 1992).