场发射显微镜

1936年米勒发明的显微镜

场发射显微镜是米勒（muller）在1936年发明的，但其重要性却直到第二次世界大战之后才逐渐被认识，近年来，超高真空技术飞速进步，为场发射显微镜的发展和应用提供了条件，场发射显微镜已成为在表面现象的研究中最受重视的一种技术。利用这种技术使我们能够直接观察到不同晶面的不同吸附性质以及吸附原子或分子在表面上的活动情况，甚至可以看到个别吸附分子的象。

场致发射研究的历史回顾

场致发射发现于1897年。1992年LIlienfeld用尖端阴极作x射线管的电子源。1928年弥勒和诺德海姆用波动力学解释场致发射，为场致发射理论奠定了基础。1940年电子显微镜发明之后，弥勒--诺德海姆场致发射公式才得到准确的实验。证1937年Muller引进场发射显微镜的概念，用它观察尖端的场发射图像，可以了解晶体排列，研究外来原子在金属表面的吸附和解吸，以及吸附原子在金属表面的迁移等现象。1941年Muller又发现吸附原子在强负电场作用下的解吸现象，这导致1951年设计出场离子显微镜。1967年场离子显微镜发展到原子探针的阶段，用它可以检查场离子图上任意一点的质谱性质。

在四十年代末期，为了给积极发展的微波管提供有效的电子发射源，开始了对场发射阴极的系统研究，包括对极限电流密度、场发射电流稳定性、“热”场致发射等的研究。五十年代由于超高真空技术的发展，在Dyke及其同事的努力下，稳定的场致发射已经基本上可以实现。他们采用多尖端阴极，并将它首先应用于脉冲（闪光）x光管中，以后发展为商用的场发射x光管（Fexirton）和场发射电子注管（Febetron）。

在六十年代初期，有人提出用大功率电子注来加热原子核使之达到产生热核聚变的温度，因此开始建立了许多大功率脉冲电子注加速器。这种加速器在几百千伏到10兆伏的脉冲加速电压下，从尖端或刀口阴极发射104—106A的电流，电子注的脉冲功率达1013—1014W。这种电子注称为相对论性强流电子注，除了可以产生高强度闪光x射线外，还可以产生大功率激光、大功率激波、毫米波、亚毫米波，模拟辐射效应，还可能用于等离子体加热、约束等离子体、电子注聚变等方面。这时阴极发射的机理和一般场发射不同，称等离子体场发射，苏联称之为爆发电子发射。

随着六十年代末期扫描电子显微镜和表面物理分析仪器的蓬勃发展，要求有高亮度，细小直径的电子束。尖端场发射阴极接近一个点源，电流密度大，电子初速零散小，容易聚焦成细束，逐渐应用于上述仪器的电子枪中。

70年代末，Gomer利用探孔FE从创立了“涨落法”。使FEM在研究表面物理领域中成为重要的研究手段之一。

场发射显微镜（FEM）原理

右图1所示是场发射显微镜的结构原理图，泡中尖端状的样品被固定在加热丝上，位于球形玻壳的中心，作为场电子发射阴极，表示为K。玻壳窗口的内壁先蒸涂上一层透明的导电层（通常为二氧化锡），然后涂敷上荧光粉，制成高发光效率的荧光屏S。导电层与电极A相连接，作为阳极。在电极A与K之间加正电压。若阴极尖端表面是球形，从阴极表面不同位置场致发射的电子将沿着同心球的半径方向运动，最后打在荧光屏上。这样，在荧光屏上就显示出来阴极（样品）尖端发射电子能力的像。而场发射电流密度与逸出功E（φ）和电场强度ε有指数关系，因此场发射体针尖表面的逸出功不同或场强不同，都将引发射电流密度的变化。除了不同晶面有不同逸出功外，吸附外来原子或存在缺陷的表面态也将引发逸出功的变化;增减表面的粗糙也将引起局部电场的改变。因此，针尖尖端电子发射将与上述因素有关。场发射显微镜所用的针尖是用多晶的线状材料，经过腐蚀加工制成。通常情况下，其场电子发射部分是单晶，由于尖端尺寸很小，往往小于多晶晶粒大小，而且球面暴露部分多是低表面能平台。实际制成样品的针尖存在柱形或锥形的径部结构，因此针尖表面场强偏离小球体系，可表示为

ε=V/(γr)（1.1）

式中的γ是与针尖结构有关的参数。由式1.1可知，对于曲率半径r=1000埃的针尖，阴极加上2—5KV的正电压，在针尖表面就可以得到足够产生场致电子发射的电场强度。对于金属样品得到更小的曲率半径是容易的。

场致显微镜的理想放大倍数可表示为

M=R/r(1.2)

式中R是荧光屏的半径，r是样品尖端的曲率半径，实际发射体针尖径部的柱形或锥形结构，不仅减小了场强，而且使电力线向轴向压缩，结果实际放大倍数为

M=R/βr（1.3）

式中压缩系数β取值为1.5—2。通常图像是轴向对称的，在荧光屏上发射体几乎是均匀的。线性放大倍数的数量级为105—106。

场发射显微镜的应用

利用场发射显微镜可以判断尖端材料是否纯净，判断的标准是发射图像和尖端的加热处理温度无关。反之，如尖端材料含有杂质（如C，Si），则尖端在经过高温闪炼后（这时表面杂质暂时都蒸发掉），如适当降低温度，则可观察杂质从内部向表面扩散的发射图像。

从纯金属尖端的发射图像可确定各晶面的逸出功。

场发射显微镜是研究吸附现象的有效方法。因为吸附现象总是伴随着逸出功的变化，而逸出功决定发射电流密度。在场发射显微镜荧光屏上可以看到在单晶上各向异性的吸附图像。

用场发射显微镜研究吸附十分形象化，而且可以分辨到接近原子尺寸。这个方法还有一个特点，就是吸附的研究可以很方便的在很大的温度范围内进行。