전계 이온 현미경

전계 이온 현미경(Field ion microscope, FIM)은 1951년 뮐러가 발명했다. 이는 뾰족한 금속 팁 표면의 원자 배열을 이미지화하는 데 사용될 수 있는 현미경의 한 종류이다.

1955년 10월 11일, 에르빈 뮐러와 그의 박사 과정 학생 칸와르 바하두르(펜실베이니아 주립대학교)는 예리하게 뾰족한 텅스텐 팁의 표면에 있는 개별 텅스텐 원자를 21K로 냉각하고 헬륨을 이미징 가스로 사용하여 관찰했다. 뮐러와 바하두르는 개별 원자를 직접 관찰한 최초의 인물이다.

도입

FIM에서는 뾰족한(<50nm 팁 반지름) 금속 팁이 제작되어 초고진공 챔버에 배치되고, 챔버에는 헬륨이나 네온과 같은 이미징 가스가 채워진다. 팁은 극저온(20-100K)으로 냉각된다. 팁에는 5~10킬로볼트의 양의 전압이 인가된다. 팁에 흡착된 가스 원자는 팁 주변의 강한 전기장에 의해 이온화되어("전계 이온화"), 양전하를 띠고 팁에서 반발된다. 팁 근처 표면의 곡률은 자연적인 확대 효과를 유발한다. 이온은 표면에 거의 수직인 방향으로 반발된다("점 투영" 효과). 검출기는 이러한 반발된 이온을 수집하도록 배치된다. 수집된 모든 이온으로 형성된 이미지는 팁 표면의 개별 원자를 이미지화하기에 충분한 해상도를 가질 수 있다.

이미징에 사용되는 입자의 파장에 의해 공간 해상도가 제한되는 기존 현미경과 달리 FIM은 원자 해상도와 수백만 배의 근사 확대율을 갖는 투영형 현미경이다.

설계, 한계 및 응용

FIM은 전계 방출 현미경(FEM)과 마찬가지로 날카로운 샘플 팁과 형광 스크린(현재는 다채널 플레이트로 대체됨)을 주요 구성 요소로 한다. 그러나 다음과 같은 몇 가지 본질적인 차이점이 있다.
 팁 전위가 양의 값이다.
 챔버는 이미징 가스(일반적으로 10-5 ~ 10-3 Torr의 He 또는 Ne)로 채워진다.
 팁은 저온(~20-80K)으로 냉각된다.
FEM과 마찬가지로 팁 끝 부분의 전계 강도는 일반적으로 몇 V/Å이다. FIM의 실험 설정 및 이미지 형성은 첨부된 그림에 설명되어 있다.

섬네일|right|FIM 실험 설정.

섬네일|right|FIM 이미지 형성 과정.

FIM에서는 강한 전계의 존재가 중요하다. 팁 근처의 이미징 가스 원자(He, Ne)는 전계에 의해 분극되고, 전계가 불균일하므로 분극된 원자는 팁 표면으로 끌린다. 그런 다음 이미징 원자는 일련의 홉을 수행하며 운동 에너지를 잃고 팁 온도에 적응한다. 최종적으로 이미징 원자는 표면으로 터널링하는 전자에 의해 이온화되고, 결과적인 양이온은 전기장선을 따라 가속되어 스크린에 샘플 팁의 고배율 이미지를 형성한다.

FIM에서 이온화는 전계가 가장 강한 팁 근처에서 일어난다. 원자에서 터널링하는 전자는 팁에 의해 흡수된다. 터널링 확률이 최대가 되는 임계 거리, xc가 있다. 이 거리는 일반적으로 약 0.4nm이다. 원자 규모의 특징에 대한 매우 높은 공간 해상도와 높은 대비는 더 높은 국부 곡률로 인해 표면 원자 근처에서 전기장이 강화되기 때문에 발생한다. FIM의 해상도는 이미징 이온의 열 속도에 의해 제한된다. 팁의 효과적인 냉각을 통해 1Å(원자 해상도) 정도의 해상도를 달성할 수 있다.

FEM과 마찬가지로 FIM의 적용은 날카로운 팁 형태로 제작될 수 있고, 초고진공(UHV) 환경에서 사용될 수 있으며, 높은 정전기장을 견딜 수 있는 재료로 제한된다. 이러한 이유로 고융점의 난융 금속(예: W, Mo, Pt, Ir)이 FIM 실험의 일반적인 대상이다. FEM 및 FIM용 금속 팁은 얇은 와이어의 전해연마(전기화학적 연마)를 통해 준비된다. 그러나 이러한 팁은 일반적으로 많은 돌기를 포함한다. 최종 준비 절차는 팁 전압을 높여 현장 증발을 통해 이러한 돌기를 현장에서 제거하는 것을 포함한다. 현장 증발은 원자를 표면 자체에서 매우 높은 전계 강도에서 제거하는 전계 유도 공정이며 일반적으로 2-5V/Å 범위에서 발생한다. 이 경우 전계의 효과는 원자가 표면에 결합하는 유효 결합 에너지를 감소시키고, 사실상 해당 온도에서 전계가 0일 때 예상되는 것보다 증발률을 크게 증가시키는 것이다. 이 과정은 자기 조절적이며, 흡착원자나 층계원자와 같이 국부 곡률이 높은 위치에 있는 원자들이 우선적으로 제거된다. FIM에 사용되는 팁은 FEM 실험에 사용되는 팁(팁 반경 ~1000 Å)에 비해 더 날카롭다(팁 반경 100~300 Å).

FIM은 표면의 동적 거동과 표면의 흡착원자 거동을 연구하는 데 사용되었다. 연구된 문제로는 흡착-탈착 현상, 흡착원자 및 클러스터의 표면 확산, 흡착원자-흡착원자 상호작용, 스텝 이동, 평형 결정 형태 등이 있다. 그러나 제한된 표면적(즉, 가장자리 효과)과 큰 전기장의 존재로 인해 결과가 영향을 받을 가능성이 있다.

 같이 보기 
 원자 탐침
 전자현미경
 전계 방출 현미경
 표면 분석 방법 목록

 각주 

 K.Oura, V.G.Lifshits, A.ASaranin, A.V.Zotov and M.Katayama, Surface Science – An Introduction, (Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003).
 John B. Hudson, Surface Science – An Introduction, BUTTERWORTH-Heinemann 1992.

 외부 링크 

 Northwestern University Center for Atom-Probe Tomography 

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분류:현미경