Microscopia DE Iones - Nota: A PDF

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a short essay of ion microscopy works...

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MICROSCOPIA DE IONES INTRODUCCION La microscopía de iones en campo (FIM) es una técnica analítica empleada en ciencia de materiales. El microscopio de iones en campo es una variedad de microscopio que puede ser usado para visualizar la ordenación de los átomos que forman la superficie de la punta afilada de una aguja de metal. Fue la primera técnica con la que se consiguió resolver espacialmente átomos individuales. La técnica fue desarrollada por Erwin Müller. En 1951 se publicaron por primera vez imágenes de estructuras atómicas de tungsteno en la revista Zeitschrift für Physik. La microscopía de iones de campo, a menudo denominada FIM, proporciona imágenes de resolución atómica de la superficie de un espécimen. Un gas noble, llamado el gas de imagen, se introduce cerca de una aguja afilada cargada positivamente. El campo eléctrico en el vértice del espécimen es del orden de 1010 V m-1. Los átomos de gas se ionizan muy cerca de la superficie de la punta y luego son acelerados por el intenso campo eléctrico. La imagen que se forma por el impacto de estos iones de gas en una pantalla de fósforo mapa la distribución del campo eléctrico en la superficie, que está intrínsecamente relacionado con la topografía local de la punta. El espécimen se mantiene a una temperatura extremadamente baja (5-80 K) para optimizar la resolución espacial, que es lo suficientemente alta como para proporcionar imágenes directas de átomos de superficies individuales. Aumentar aún más el campo eléctrico en la superficie de la punta induce la ionización y la desorción de los átomos de la propia muestra a través de un proceso conocido como campo de evaporación. Eliminar exitosamente capas de átomos de la superficie de la muestra permite la visualización de la estructura debajo de la superficie de la muestra utilizando FIM. Se han compilado varias revisiones y libros de texto completos en desarrollo y aplicación de FIM en materiales y ciencias de la superficie.

FUNDAMENTOS FIM se basa en la ionización inducida por el campo eléctrico de los átomos de gas inerte en las proximidades de una superficie cargada. Cuando una aguja metálica muy afilada se somete a un alto voltaje de unos cuantos kilovoltios, se genera un campo eléctrico intenso en la superficie. Este campo eléctrico es generado por las cargas positivas presentes en la superficie. De hecho, la aplicación del alto voltaje induce a los electrones libres que sean, en promedio, desplazados hacia el interior por una pequeña cantidad para proteger el campo eléctrico, dejando en parte átomos cargados en la superficie misma. Para una superficie no plana, los átomos que sobresalen son sujetos a una carga mayor, como se muestra en la Fig. 2.1. Dado que el campo eléctrico en la superficie es directamente proporcional a la densidad de carga, es más alta alrededor de estas protuberancias locales. En el caso de una superficie curva atómicamente lisa, estas protuberancias corresponden a los bordes de las terrazas atómicas. Al imaginar la distribución de la intensidad de campo en la superficie, el microscopio de iones de campo proporciona una imagen resuelta de la propia superficie.

2.1 Vista esquemática de la superficie de un metal cargado positivamente

TEORÍA DE IONIZACIÓN DE CAMPO La ionización de campo es la eliminación inducida por el campo de un electrón de un átomo. La Figura 2.2 presenta esquemáticamente el nivel de energía potencial de un átomo de gas en la cercanía de una superficie metálica en ausencia o presencia de un campo eléctrico. El campo eléctrico polariza el átomo de gas, deformando la curva de potencial. Cuando se somete a un campo eléctrico muy fuerte, un electrón de la capa exterior del átomo de gas puede pasar a través de la barrera de energía hacia un nivel de energía vacío en la superficie del metal. La probabilidad de ionización depende de la transparencia relativa de la barrera potencial para que el electrón pase por el proceso. El modelo teórico más ampliamente aceptado utilizado para describir esta barrera de energía fue desarrollado por Gomer, y asume que la barrera puede ser modelada como un triángulo equilátero. El ancho de la barrera es proporcional al campo eléctrico y, por lo tanto, la probabilidad de ionización depende fundamentalmente de la amplitud del campo eléctrico. La Ionización de campo ocurrirá lo más cerca posible de la superficie, donde el campo eléctrico es más intenso. Sin embargo, la energía del electrón del átomo de gas debe coincidir con, o ser más alto que, el nivel de conducción más bajo disponible en el metal, que está cerca del Nivel de Fermi. Si esta condición no se cumple, no hay niveles de energía vacantes en el metal disponible para el electrón de tunelización [1, 6, 7, 9–14]. Como resultado, este proceso solo puede tener lugar cuando el átomo de gas está más allá de una distancia crítica lejos de la superficie. Para una primera aproximación, la distancia crítica se puede escribir como:

donde I0 es la energía de la primera ionización, Fe es la función de trabajo de la superficie y F es el campo eléctrico. En el caso de un átomo de helio (I0 ¼ 24.59 eV) ionizado en 50 V nm – 1 cerca de una superficie de tungsteno puro, donde la función de trabajo es normalmente ~ 4.5 eV, esta distancia corresponde a aproximadamente ~ 0.4 nm. Por lo tanto, la ionización se realiza

principalmente a esta distancia de la superficie y, como se muestra en Müller y Bahadur, dentro de una delgada zona de espesor menor a 0.1xc.

2.2 Diagrama de energía potencial en función de la distancia a la superficie (x) de un electrón de un átomo de gas en la proximidad de una punta (izquierda) en ausencia de un campo eléctrico, y (derecha) sujeto a un campo eléctrico aplicado, F. La energía de la primera ionización es I0, xc es la distancia crítica de E F es la energía de Fermi y Fe es la función de trabajo de la superficie.

“OBESARVACIÓN” DE ÁTOMOS: MICROSCOPIO DE CAMPO DE IONES FIM es una aplicación directa y elegante de la teoría de ionización de campo. En FIM, una imagenas se introduce en una cámara de vacío que contiene una punta afilada en forma de aguja bajo un potencial eléctrico positivo alto. Los átomos de gas o moléculas son polarizados por el campo eléctrico intenso, y posteriormente son electrostáticamente atraídos hacia la superficie de la punta. La mejora del campo eléctrico en la proximidad de la punta atrae una alta concentración de átomos de gas de imagen (Fig. 2.3). Los átomos de gas golpean la punta y rebotan de un lado a otro en su superficie, perdiendo algo de su energía cinética con cada interacción. Esta energía se transfiere a la celosía en un proceso que puede verse como un alojamiento térmico de los átomos de gas antes de su ionización. En el mejor de los casos, la energía de los átomos de gas disminuirá a un nivel tan bajo como la energía térmica de la superficie de la punta. A medida que la energía cinética de los átomos de gas disminuye progresivamente, hay una correspondiente disminución de su velocidad, que a su vez aumenta el tiempo empleado por los átomos en la zona de ionización, alrededor de la distancia crítica sobre la superficie de la punta.

2.3 Vista esquemática de un microscopio de iones de campo (no a escala). (a) Sólo los átomos de la última capa (en verde) de la superficie de la punta puede ser visualizada, como se ve en el ejemplo de un ion de campo micrográfico W puro (derecha). (b) Modelo equivalente de esferas apiladas dispuestas en una celosíabcc. c) Vista similar con los átomos más sobresalientes resaltados en verde.

Por lo tanto, los átomos de gas de imagen ejecutarán una serie de saltos sobre y alrededor de la superficie de la punta, con cada lúpulo disminuyendo su energía más que el anterior, hasta que se produce finalmente la ionización. Estos nuevos iones de gas con carga positiva experimentan ahora la fuerza del campo eléctrico a partir del potencial altamente positivo de la punta. Como resultado, son repelidos desde la superficie de la punta en una trayectoria que está notablemente cerca de lo normal a la tangente de la superficie de la muestra. Los iones de gas se aceleran lejos de la punta a través de la cámara del microscopio y eventualmente golpean una pantalla con un sistema de detección, proporcionando una proyección de la superficie del espécimen enormemente ampliada - una micrografía de iones de campo. Este proceso se representa esquemáticamente en la Fig. 2.3. Un cuerpo cúbico centrado (bcc). La punta cristalina se muestra de lado en la Fig. 2.3a con los átomos de gas rebotando sobre y fuera de la punta de la superficie bajo la fuerza de polarización de campo. Los átomos de gas son eventualmente acomodados en salientes de cristal y terrazas antes de ser ionizados y evaporados de la superficie. Luego se aceleran hacia la pantalla donde se forma la imagen. La figura 2.3b, c muestra los orígenes físicos de las imágenes FIM. Un claro patrón hecho de series de anillos concéntricos aparece en (b), que es simplemente una vista superior del modelo de espécimen que se muestra de lado en (a). En (c), los átomos más sobresalientes, siendo los más alejados del centro del casquete esférico, se iluminan en verde. La semejanza a la micrografía en (a) es sorprendente. Es evidente que se logra la resolución atómica y que la imagen se asemeja a la proyección estereográfica del cristal. La simetría cristalina se mantiene y por lo tanto (por ejemplo) la doble simetría de los {110} planos que están orientados normalmente al eje de la punta también se observan en la imagen FIM. En la Fig. 2.4a-i se proporcionan ejemplos de imágenes FIM.

2.4 Micrografías de iones de campo típicas de una variedad de materiales. (a) W puro observado a lo largo de dirección {100}. b) Imagen precipitada oscura en una aleación de Cu81Fe9Ni10, el precipitado es coherente, con la matriz evaluada por la continuidad de las terrazas atómicas a través del precipitado (flechas rojas). c) Nanocristales de Al puro (flechas rojas) en aleación amorfa de Al92Sm8, la matriz es amorfa y, por lo tanto, no presenta la típica estructura de los polos. d) Aleación de Fe3%Cr nitrurado que contiene plaquetas de FeCrN (flechas rojas) observadas desde arriba o desde el borde. e) Dislocación en Fe puro (flecha roja). f) celosía reconstruida en un espécimen de Fe puro observado por un FIM tridimensional. (g) Imágenes brillantes de las plaquetas T1 (flechas rojas) observadas de lado en un aleación de Al-Cu-Li-(Mg)-(Ag). h) dispersoides ricos en (Sc,Zr) (flechas rojas) en una aleación Al-Zr-Sc. (h) Las mismas partículas que en (i) observadas por un FIM tridimensional: la estructura núcleocáscara de los precipitados es fácilmente aparente (micrografías (a-f) y (h, i) cortesía de los doctores Frederic Danoix, Franc¸ois Vurpillot y Williams Lefebvre)

2.1.2.1 Generación del campo eléctrico. La teoría de la ionización de campo requiere un alto voltaje positivo para inducir un alto Campo eléctrico en la superficie de la muestra. Esto se logra mediante el uso de una punta geométrica con forma de aguja para el espécimen, con un radio final inferior a 100 nm. La forma de la punta generalmente se modela como un cono truncado con un casquillo hemisférico, aunque en general se encuentran desviaciones leves de la esfericidad. El medio angulo en el vértice del cono se le conoce como el ángulo del vástago o cono de la punta. El radio del hemisferio se considera el radio de curvatura de la punta. El campo eléctrico, F, generado en el vértice de un espécimen en forma de aguja con un radio de curvatura, R, que está sujeta a un alto voltaje, V, puede estimarse en función de la expresión idealizada para una esfera cargada. Requiere una ligera modificación tener en cuenta el hecho de que la punta no es exactamente esférica, dando: F=V/KfR donde kf se denomina factor de reducción de campo o, más simplemente, factor de campo y es una constante que representa tanto la forma de la punta como su entorno electrostático. Basado en estudios experimentales de la distribución de energía de iones creados en el cerca de una punta, Sakurai y Muller han demostrado que el factor de campo puede rango de 3 a 8 para puntas de tungsteno. Un ángulo de vástago más pequeño aumentará la concentración del campo en el vértice de la punta, lo que resulta en una disminución de kf. Larson et al. observó que kf varía casi linealmente con el ángulo del vástago en FIM. Esto está relativamente de acuerdo con los cálculos de Gipson et al. Se ha demostrado que el factor de campo está influenciado por el valor del radio de curvatura y por la forma general de la muestra. Además, otros parámetros, que son independientes de la propia forma de la punta, afectan el valor del factor de campo. Por ejemplo, la presencia de un sustrato plano debajo de la muestra, posicionado demasiado cerca del vértice, causa una caída dramática en el campo; a la inversa, la presencia de un contraelectrodo cerca del vértice de la punta aumenta el campo eléctrico: se ha observado experimentalmente una disminución en kf de más de un factor de dos como resultado de cambiar la distancia entre el contraelectrodo y el espécimen. El espécimen no solo está sujeto a un alto campo eléctrico, sino que también se enfría a temperaturas criogénicas, lo que conduce, por múltiples razones, a una resolución espacial mejorada. Primero, a una temperatura más baja, la agitación térmica de los átomos de la superficie es reducido. Además, la difusión de los átomos del espécimen a través de su superficie es un Proceso activado térmicamente, que puede ser, si no se evita por completo, al menos en gran medida minimizado a temperaturas criogénicas, aumentando la confianza de que los átomos de la superficie se observan en sus posiciones originales y no han sido redistribuidos por el eléctrico campo. Otro propósito crítico de las temperaturas criogénicas es proporcionar una comodación térmica de los átomos del gas de imagen. Reduciendo la energía térmica, kBT, de los átomos del gas de imágenes tienen el efecto de disminuir su velocidad lateral en el instante de su evaporación, lo que aumenta la resolución espacial como se discute más adelante.

PROYECCION DE LOS IONES: FORMACION DE LA IMAGEN Una vez ionizados, los átomos del gas de imagen se ven afectados por el campo eléctrico muy intenso rodeando la punta. El campo eléctrico acelera los iones a medida que son repelidos desde la superficie de la punta.

Fig. 2.5 Vista Esquemática de un punto de proyección de los átomos desde la superficie. Como el campo eléctrico es casi normal a la superficie, los iones vuelan las líneas de campo eléctrico y se comportan como si fueran proyectadas lejos de la superficie. Se han propuesto varios modelos para describir la proyección de iones [28–32]. El más utilizado, aunque no necesariamente el modelo más preciso, es una proyección puntual. Al colocar una pantalla a una distancia L de la punta, por lo general algunos centímetros, la ampliación, Mproj, de la imagen formada por el impacto de los iones se puede expresar como

donde R es el radio de curvatura de la punta y dsad es una constante llamada imagen factor de compresión (ICF). De manera similar al factor de campo que representó una combinación de efectos, el ICF explica la desviación de las líneas de campo hacia el eje principal de la muestra vinculado a la forma de la muestra y su entorno electrostático en conjunto. El ICF se puede ver como la relación entre los ángulos de observación observados entre dos direcciones cristalográficas sobre la imagen proyectada y la teórica.

valor ycrys, como se define en la figura 2.5

El ICF (x) normalmente oscila entre 1 (proyección radial) y 2 (estereográfico proyección). En muchos estudios, se ha demostrado que x se encuentra en algún lugar cerca de la mitad de estas dos figuras. Para valores típicos de L ¼ 90 mm, x ¼ 1.5 y R ¼ 50 nm, se alcanza un aumento superior a 106, lo que permite la resolución de las posiciones de los átomos individuales. Al impactar en la pantalla de fósforo, cada ion produce un punto de luz, como se ve en Fig. 2.3. La imagen general es la culminación de puntos de luz de átomos ionizados sobre

RESOLUCION ESPACIAL DE FIM Toda la superficie del espécimen. Es importante destacar que, aunque la imagen de iones de campo puede parecer estática, su formación es en realidad un proceso dinámico, por el cual cada región brillante de la imagen está formada por un flujo continuo de gas de imagen ionizado que se origina en el Zona de ionización, justo por encima de los átomos que sobresalen. Manchas más brillantes en la imagen. corresponden directamente a las zonas donde se produce una corriente de iones más alta.

A pesar de ser crucial para entender las limitaciones intrínsecas de una técnica, El concepto de resolución en microscopía aún no se ha definido de forma inequívoca, dejando espacio para la interpretación. Los microscopios tienen capacidades limitadas para visualizar una Característica dada, que se traduce en una resolución finita. Las deformaciones inducidas por el microscopio en sí (es decir, las aberraciones) generalmente se coloca en una forma de punto esparcido que describe la respuesta del microscopio a un punto individual. La función de dispersión de puntos puede entonces ser explotada para deducir el límite de resolución. El último generalmente se deduce de

criterios bien establecidos, como el clásico criterio de Rayleigh, para proporcionar valores de la llamada resolución de dos puntos, que es La capacidad del microscopio muestra dos puntos individuales de igual intensidad. Este es un amplio enfoque utilizado para evaluar las capacidades de resolución de un microscopio. Las definiciones en FIM a menudo se relacionan con el tamaño del punto de imagen más pequeño en la Pantalla, que corresponde a la función de dispersión de puntos. Basado en el trabajo de los pioneros Chen y Seidman [26] o de Castilho y Kingham [27], Tsong [7] propusieron un modelo basado en tres factores principales para describir los orígenes de la Límite de resolución de la FIM: -El tamaño de la zona de ionización. Como cada spot está formado por el impacto sucesivo de un flujo continuo de iones proyectados sobre el detector, su tamaño corresponderá al tamaño lateral de la zona de ionización directamente sobre el átomo de la imagen en la punta de la superficie. • Velocidad lateral: Las Aberturas en la trayectoria, originadas a partir de la velocidad lateral de Los iones en el instante de su ionización de campo, contribuyen al aumento de la tamaño del punto • Incertidumbre posicional. El átomo de gas está confinado en un volumen muy pequeño, Por lo tanto, la naturaleza cuántica del átomo debe ser considerada. El principio de incertidumbre de Heisenberg impone una dispersión en el componente de velocidad lateral del átomo de gas de imágenes. Esto introduce una incertidumbre en su posición.

ZONA DE IONIZACION La expansión lateral de la zona de ionización sobre el átomo de la imagen es difícil de Cuantificar. En el mejor de los casos, es del mismo orden de magnitud que el tamaño del átomo de gas de imagen. Sin embargo, es críticamente dependiente de la amplitud y Distribución del campo eléctrico por encima del átomo. Si el campo es relativamente bajo, la distancia crítica xc será grande, y por lo tanto, la distribución del campo en la zona de ionización

Puede no reflejar la estructura en la superficie con resolución atómica. Por el contrario, si el campo eléctrico es demasiado alto, la zona de ionización estará más cerca de la superficie y su extensión lateral por encima de un átomo de superficie específica se superpondrá con la Zonas de vecinos de ese átomo. Tales efectos desdibujan la imagen. Así, la definición de El mejor campo de imagen (BIF) es el campo para el cual se encuentra el volumen de la zona de ionización. Mínimo y que se traduce en la más alta resolución....