Электронный проектор


Электронный проектор

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 r \approx 10^{-7}-10^{-8} \ м. Анод изготовляется в виде полой сферы, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора и металлизацией. Из колбы откачивается воздух (остаточное давление 10^{-9}- 10^{-11} \ )мм.рт.ст. Когда на анод подается положительное напряжение в несколько тысяч вольт относительно игольчатого катода, напряженность электрического поля вблизи точечного эмиттера достигает 10^9- 10^{10} \ 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 R \ к радиусу точечного эмиттера r \ (R/r \ ). Разрешающая способность ограничена наличием тангенциальных составляющих скоростей автоэлектронов у кончика острия и в меньшей степени — дифракцией электронов.

Содержание

История

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.

«Вижу атомы»!

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.

«Подсчет» электронов

Типичный электронный проектор представляет собой сферический конденсатор с внешним радиусом значительно большим за внутренний (r \ll R \ ). Наиболее интересен граничный случай, когда внутренний радиус точечного эмиттера совпадает с радиусом Бора (отличия радиусов отдельных атомов от данного значения здесь не существенны):

r=a_B=l_N/\alpha_S=5.292\cdot 10^{-11} \ м,

где l_N=3.862\cdot 10^{-13} \  — характеристическая длина электрона, а \alpha_S=7.297\cdot 10^{-3} \  — постоянная тонкой структуры.

Масштаб частоты на масштабе Бора равен значению:

\omega_B=2\pi \nu_B=\frac{\hbar}{2m_Na_B^2}  \ ,

где \hbar \  — приведенная постоянная Планка, а m_N=9.109\cdot 10^{-31} \ кг — масса электрона.

Масштаб тока на масштабе Бора (одноэлектронный) равен значению:

I_B=\frac{e\omega_B}{2\pi}=\frac{\alpha_Sec}{4\pi a_B}=5.271\cdot 10^{-4} \ А,

где e \  — заряд электрона. Таким образом, внутренняя сфера электронного проектора ограничивает поступление электронов. Более того, они здесь поступают поштучно! Плотность тока на внутренней сфере равна:

j_B=\frac{e\nu_B}{4\pi a_B^2}=\rho_{2DB}\cdot \frac{\hbar}{4\pi a_B^2m_N} \ ,

где \rho_{2DB}=e/4\pi a_B^2 \  — двухмерная плотность заряда на сфере Бора.

Плотность тока на внешней сфере пока неизвестна:

J_{Rx}=\frac{Q_{Rx}\nu_{Rx}}{4\pi R^2}=\rho_{2DR}\cdot \nu_{Rx} \ ,

где \rho_{2DR}=Q_R/4\pi R^2 \  — двухмерная плотность заряда на внешней сфере. Другими словами, мы пока не знаем заряда Q_{Rx} \ и частоты \nu_{Rx} \ на внешней сфере электронного проектора. Значение частоты на внешней сфере можно найти из условия равенства зарядов Q=e \ . Тогда отношение частот будут равно: \xi_{BR}=\frac{\nu_{B}}{\nu_{Rx}}=\frac{R^2}{a_B^2}=3.571\cdot 10^{16} \ , где учтено типичное значение внешнего радиуса R=0.01 \ м. Таким образом, частота изменения заряда на внешней сфере будет равна:

\omega_{Rx}=\frac{a_B^2}{R^2}\omega_B =\frac{l_N\omega_R^2}{2c}=\frac{\omega_R^2}{2\omega_N}  \ ,

где \omega_R=c/R \  — частота колебаний резонатора, который образуется внешней сферой, а \omega_N=c/l_N \  — характеристическая частота электрона. Теперь мы можем найти заряд на внешней сфере:

Q_{Rx}=\xi_{BR}\cdot e=e\frac{R^2}{a_B^2} \ .

Учитывая непрерывность тока через сферический конденсатор, имеем:

I_{Rx}=Q_{Rx}\cdot \nu_{Rx}=e\nu_B=I_B \ .

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:

I_{Dn}=n\cdot I_B \ ,

где n=1,2,3,.. \ . Узловые значения напряжений на электронном проекторе будут равны:

V_{Dn}=n\cdot V_B \
V_B=\frac{\alpha_S^2m_Nc^2}{2e}=13.606\cdot n \ В.


См. также

Литература

  • 1. Mueller E.W. The field-ion microscope, Advances in Electronics and Electron Physics, vol.13,83 (1960).
  • 2. Мюллер Є.В., Цонт Т. Т. Автоионная микроскопия, пер. с англ., М:Металлургия,1972.
  • 3. Мюллер Є.В., Цонт Т. Т. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение, пер. с англ., М:Наука,1980.
  • 4. Field Emission / Ion Microscopy Laboratory, Purdue University, Dept. of Physics. Retrieved 2007-05-10 [1]
  • 5. Stranks, D. R.; M. L. Heffernan, K. C. Lee Dow, P. T. McTigue, G. R. A. Withers (1970). Chemistry: A structural view. Carlton, Victoria: Melbourne University Press. pp. 5. ISBN 0-522-83988-6.
  • 6. K.Oura, V.G.Lifshits, A.ASaranin, A.V.Zotov and M.Katayama, Surface Science — An Introduction, (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003).
  • 7. John B. Hudson, Surface Science — An Introduction, (BUTTERWORTH-Heinemann 1992).

Примечания

  1. Mueller, E.W. (1937). «Elektronenmikroskopische Beobachtungen von Feldkathoden». Z. Phys 106: 541. doi:10.1007/BF01339895
  2. Михайловский И. М., Саданов Е. В., Мазилова T.И., Ксенофонтов В. А., Великодная О. А. Новые возможности полевой электронной микроскопии: сверхвысокое разрешение и наблюдение атомных орбиталей углеродных моноатомных цепочек. IX Міжнародної конференції «ФІЗИЧНІ ЯВИЩА В ТВЕРДИХ ТІЛАХ» (1 — 4 грудня 2009 року). Харків 2009.

Ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Электронный проектор" в других словарях:

  • ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР — автоэлектронный микроскоп, безлинзовый электронно оптич. прибор для получения увеличенного в 105 106 раз изображения поверхности тв. тела. Э. п. был изобретён в 1936 нем. физиком Э. Мюллером. Осн. части Э. п.: катод в виде проволочки с точечным… …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР — безлинзовое устройство, создающее увеличенное изображение поверхности, эмиттирующей электроны. Эмиттированные катодом (в виде острия) электроны (автоэлектронная эмиссия) ускоряются сильным радиальным электрическим полем и, попадая на внутреннюю… …   Большой Энциклопедический словарь

  • электронный проектор — безлинзовое устройство, создающее увеличенное изображение поверхности, эмитирующей электроны. Эмитированные катодом (в виде острия) электроны (автоэлектронная эмиссия) ускоряются сильным радиальным электрический полем и, попадая на внутреннюю… …   Энциклопедический словарь

  • электронный проектор — elektroninis projektorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electron projector vok. Elektronenprojektor, m rus. электронный проектор, m pranc. projecteur électronique, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Электронный проектор —         автоэлектронный микроскоп, безлинзовый электроннооптический прибор для получения увеличенного в 105 106 раз изображения поверхности твёрдого тела. Э. п. был изобретён в 1936 немецким физиком Э. Мюллером. Основные части Э. п.: катод в виде …   Большая советская энциклопедия

  • ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР — автоэлектронный микроскоп, безлинзовый вакуумный электронно оптич. прибор для получения увеличенного (в 105 106 раз) изображения поверхности твёрдого тела. Представляет собой сферич. или конусообразную стек. колбу, дно к рой (экран) покрыто слоем …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЕКТОР — безлинзовое устройство, создающее увеличенное изображение поверхности, эмитирующей электроны. Эмитированные катодом (в виде острия) электроны (автоэлектронная эмиссия) ускоряются сильным радиальным электрич. полем и, попадая на внутр. поверхность …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП — прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объекта, в к ром вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физ …   Физическая энциклопедия

  • Электронный микроскоп —         прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэв и более) в условиях глубокого… …   Большая советская энциклопедия

  • электронный микроскоп — [electron microscope] микроскоп для наблюдения и фотографирования многократного (до 106 раз) увеличенного изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 100 кэВ и более) в… …   Энциклопедический словарь по металлургии


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.