El microscopio de iones de campo (FIM) fue inventado por Müller en 1951. [1] Es un tipo de microscopio que se puede utilizar para obtener imágenes de la disposición de los átomos en la superficie de una punta metálica afilada.
El 11 de octubre de 1955, Erwin Müller y su Ph.D. El estudiante Kanwar Bahadur (Universidad Estatal de Pensilvania) observó átomos de tungsteno individuales en la superficie de una punta de tungsteno puntiaguda enfriándola a 21 K y empleando helio como gas de imagen. Müller y Bahadur fueron los primeros en observar átomos individuales directamente. [2]
En FIM, se produce una punta de metal afilada (radio de punta <50 nm) y se coloca en una cámara de vacío ultraalto , que se rellena con un gas de imagen como helio o neón . La punta se enfría a temperaturas criogénicas (20-100 K). Se aplica a la punta un voltaje positivo de 5 a 10 kilovoltios . Los átomos de gas adsorbidos en la punta son ionizados por el fuerte campo eléctrico en las proximidades de la punta (por lo tanto, "ionización de campo"), adquiriendo carga positiva y siendo repelidos desde la punta. La curvatura de la superficie cerca de la punta provoca un aumento natural: los iones son repelidos en una dirección aproximadamente perpendicular a la superficie (un efecto de "proyección puntual"). Se coloca un detector para recoger estos iones repelidos; la imagen formada a partir de todos los iones recolectados puede tener una resolución suficiente para visualizar átomos individuales en la superficie de la punta.
A diferencia de los microscopios convencionales, donde la resolución espacial está limitada por la longitud de onda de las partículas que se utilizan para obtener imágenes, el FIM es un microscopio de proyección con resolución atómica y un aumento aproximado de unos pocos millones de veces.
La microscopía de emisión de campo (FEM) similar a la FIM consta de una punta de muestra afilada y una pantalla fluorescente (ahora reemplazada por una placa multicanal ) como elementos clave. Sin embargo, existen algunas diferencias esenciales como las siguientes:
Al igual que FEM, la intensidad del campo en el vértice de la punta suele ser de unos pocos V/ Å . La configuración experimental y la formación de imágenes en FIM se ilustran en las figuras adjuntas.
En la FIM la presencia de un campo fuerte es fundamental. Los átomos del gas de imagen (He, Ne) cerca de la punta están polarizados por el campo y, dado que el campo no es uniforme, los átomos polarizados son atraídos hacia la superficie de la punta. Luego, los átomos de la imagen pierden su energía cinética realizando una serie de saltos y se adaptan a la temperatura de la punta. Finalmente, los átomos de la imagen se ionizan haciendo túneles de electrones hacia la superficie y los iones positivos resultantes se aceleran a lo largo de las líneas de campo hasta la pantalla para formar una imagen muy ampliada de la punta de la muestra.
En FIM, la ionización tiene lugar cerca de la punta, donde el campo es más fuerte. El electrón que forma un túnel desde el átomo es recogido por la punta. Existe una distancia crítica, xc, en la que la probabilidad de formación de túneles es máxima. Esta distancia suele ser de aproximadamente 0,4 nm. La muy alta resolución espacial y el alto contraste de las características a escala atómica surgen del hecho de que el campo eléctrico aumenta en las proximidades de los átomos de la superficie debido a la mayor curvatura local. La resolución de FIM está limitada por la velocidad térmica del ion de imagen. Se puede lograr una resolución del orden de 1 Å (resolución atómica) mediante un enfriamiento efectivo de la punta.
La aplicación de FIM, como FEM, está limitada por los materiales que pueden fabricarse en forma de punta afilada, pueden usarse en un entorno de vacío ultra alto (UHV) y pueden tolerar campos electrostáticos elevados . Por estas razones, los metales refractarios con alta temperatura de fusión (p. ej. W, Mo, Pt, Ir) son objetos habituales para los experimentos FIM. Las puntas metálicas para FEM y FIM se preparan mediante electropulido (pulido electroquímico) de alambres delgados. Sin embargo, estos consejos suelen contener muchas asperezas . El procedimiento de preparación final implica la eliminación in situ de estas asperezas mediante evaporación en el campo simplemente aumentando el voltaje de la punta. La evaporación de campo es un proceso inducido por el campo que implica la eliminación de átomos de la propia superficie con intensidades de campo muy altas y normalmente ocurre en el rango de 2-5 V/Å. El efecto del campo en este caso es reducir la energía de unión efectiva del átomo a la superficie y dar, de hecho, una tasa de evaporación mucho mayor en relación con la esperada a esa temperatura en campos cero. Este proceso es autorregulador ya que los átomos que se encuentran en posiciones de alta curvatura local, como los adatomos o los átomos de repisa, se eliminan preferentemente. Las puntas utilizadas en FIM son más afiladas (el radio de la punta es de 100 ~ 300 Å) en comparación con las utilizadas en los experimentos FEM (radio de la punta ~ 1000 Å).
FIM se ha utilizado para estudiar el comportamiento dinámico de superficies y el comportamiento de adatoms en superficies. Los problemas estudiados incluyen fenómenos de adsorción - desorción , difusión superficial de adatoms y clusters, interacciones adatom-adatom, movimiento escalonado, forma de cristal en equilibrio, etc. Sin embargo, existe la posibilidad de que los resultados se vean afectados por el área de superficie limitada (es decir, efectos de borde). ) y por la presencia de un gran campo eléctrico.
En un estudio reciente del laboratorio Günther Rupprechter se examinó una superficie de nanocristal de rodio utilizando microscopía de emisión de campo que consta de nanofacetas de diferentes tamaños nanométricos como modelo de un nanosistema de reacción compartimentado. Se observaron diferentes modos de reacción, incluida una transición al caos espacio-temporal. Las transiciones entre diferentes modos fueron causadas por variaciones de la presión del hidrógeno que modifican la fuerza del acoplamiento difuso entre nanofacetas individuales. [3]
