1、 場致發射顯微鏡（FEM）一 場致發射研究的歷史回顧場致發射發現于1897年。1992 年LIlienfeld用尖端陰極作x 射線管的電子源。1828年彌勒和諾德海姆用波動力學解釋場致發射, 為場致發射理論奠定了基礎。1940 年電子顯微鏡發明之后, 彌勒-諾德海姆場致發射公式才得到準確的實驗。證1937年Muller 引進場致發射顯微鏡的概念, 用它觀察尖端的場發射圖像, 可以了解晶體排列,研究外來原子在金屬表面的吸附和解吸, 以及吸附原子在金屬表面的遷移等現象。1941年 Muller 又發現吸附原子在強負電場作用下的解吸現象, 這導致1951年設計出場離子顯微鏡。1967 年場離子顯微鏡

2、發展到原子探針的階段, 用它可以檢查場離子圖上任意一點的質譜性質。在四十年代末期, 為了給積極發展的微波管提供有效的電子發射源, 開始了對場發射陰極的系統研究, 包括對極限電流密度、場發射電流穩定性、“ 熱” 場致發射等的研究。五十年代由于超高真空技術的發展, 在Dyke及其同事的努力下, 穩定的場致發射已經基本上可以實現。他們采用多尖端陰極, 并將它首先應用于脈沖（閃光）x光管中，以后發展為商用的場發射x光管（Fexirton）和場發射電子注管（Febetron）。在六十年代初期, 有人提出用大功率電子注來加熱原子核使之達到產生熱核聚變的溫度, 因此開始建立了許多大功率脈沖電子注加速器。這種

3、加速器在幾百千伏到10兆伏的脈沖加速電壓下, 從尖端或刀口陰極發射104A106A 的電流, 電子注的脈沖功率達10141013W。這種電子注稱為相對論性強流電子注, 除了可以產生高強度閃光x射線外, 還可以產生大功率激光、大功率激波、毫米波、亞毫米波, 模擬輻射效應, 還可能用于等離子體加熱、約束等離子體、電子注聚變等方面。這時陰極發射的機理和一般場發射不同, 稱等離子體場發射, 蘇聯稱之為爆發電子發射。隨著六十年代末期掃描電子顯微鏡和表面物理分析儀器的蓬勃發展, 要求有高亮度，細小直徑的電子束。尖端場發射陰極接近一個點源, 電流密度大, 電子初速零散小, 容易聚焦成細束, 逐漸應用于上述儀

4、器的電子槍中。70年代末,Gomer利用探孔FE從創立了“漲落法”.使FEM在研究表面物理領域中成為重要的研究手段之一。二 場發射顯微鏡（FEM）原理 圖1 是場發射顯微鏡的結構原理圖，泡中尖端狀的樣品被固定在加熱絲上，位于球形玻殼的中心，作為場電子發射陰極，表示為K。玻殼窗口的內壁先蒸涂上一層透明的導電層（通常為二氧化錫），然后涂敷上熒光粉，制成高發光效率的熒光屏S。導電層與電極A相連接，作為陽極。在電極A與K之間加正電壓。若陰極尖端表面是球形，從陰極表面不同位置場致發射的電子將沿著同心球的半徑方向運動，最后打在熒光屏上。這樣，在熒光屏上就顯示出來陰極（樣品）尖端發射電子能力的像。而場發射電

5、流密度與逸出功E（）和電場強度有指數關系，因此場發射體針尖表面的逸出功不同或場強不同，都將引發射電流密度的變化。除了不同晶面有不同逸出功外，吸附外來原子或存在缺陷的表面態也將引發逸出功的變化;增減表面的粗糙也將引起局部電場的改變。因此，針尖尖端電子發射將與上述因素有關。場發射顯微鏡所用的針尖是用多晶的線狀材料，經過腐蝕加工制成。通常情況下，其場電子發射部分是單晶，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臺。實際制成樣品的針尖存在柱形或錐形的徑部結構，因此針尖表面場強偏離小球體系，可表示為=V/(r) （1.1）式中的是與針尖結構有關的參數。由式1.1可知，對于曲率

6、半徑r=1000埃的針尖，陰極加上25KV的正電壓，在針尖表面就可以得到足夠產生場致電子發射的電場強度。對于金屬樣品得到更小的曲率半徑是容易的。場致顯微鏡的理想放大倍數可表示為M=R/r (1.2)式中R是熒光屏的半徑，r是樣品尖端的曲率半徑，實際發射體針尖徑部的柱形或錐形結構，不僅減小了場強，而且使電力線向軸向壓縮，結果實際放大倍數為 M=R/r （1.3）式中壓縮系數取值為1.52.通常圖像是軸向對稱的，在熒光屏上發射體幾乎是均勻的。線性放大倍數的數量級為105106.三 場發射顯微鏡結構對于場發射顯微鏡研究的兩種設備的設計：一種是封閉式顯微鏡，它整個浸沒在液氦或液氫中；另一種是有Mull

7、er為場離子發射研究而首先設計的連續抽氣管。 1 完全浸沒管 2 連續抽氣管蔡司場致發射顯微鏡 場離子顯微鏡圖像的鎢干凈的表面上的位置不同的晶面方向（110）。 四 場發射顯微鏡的應用利用場發射顯微鏡可以判斷尖端材料是否純凈，判斷的標準是發射圖像和尖端的加熱處理溫度無關。反之，如尖端材料含有雜質（如C，Si），則尖端在經過高溫閃煉后（這時表面雜質暫時都蒸發掉），如適當降低溫度，則可觀察雜質從內部向表面擴散的發射圖像。從純金屬尖端的發射圖像可確定各晶面的逸出功。場發射顯微鏡是研究吸附現象的有效方法。因為吸附現象總是伴隨著逸出功的變化，而逸出功決定發射電流密度。在場發射顯微鏡熒光屏上可以看到在單晶

8、上各向異性的吸附圖像。用場發射顯微鏡研究吸附十分形象化，而且可以分辨到接近原子尺寸。這個方法還有一個特點，就是吸附的研究可以很方便的在很大的溫度范圍內進行。最早研究Ba，Th在鎢尖上的吸附，他直接與熱陰極的工作有關，研究說明表面遷移對發射機理起很重要的作用。圖6-27給出了在鎢表面的發射圖像。碳在鎢尖上的吸附具有特征圖像。例如由于分解有機物或蒸發碳絲使碳吸附在鎢表面，當把鎢尖加熱到1000K以上時，由于表面遷移，（110）和（121）面周圍發射增加（被認為是鎢基底重新排列形成凸面），而（343）面則為暗區，如圖6-28所示，這個圖像可以判斷有無少量的有機物存在。關于用場發射顯微鏡觀察分子和原子

9、的圖像問題。當尖端表面吸附直徑較大的原子或分子時，如表面覆蓋率很低，則圖像表現出顆粒結構，穆勒認為這是原子或分子的現象。如鋇在鎢尖的吸附，當覆蓋度小于0.1時可觀察到顆粒結構。根據計算，當鋇覆蓋度為0.1時，鋇原子之間的距離約20A，這和場發射顯微鏡的分辨率接近。穆勒把少量的鈦青銅分子蒸到鎢尖上，鎢尖發射圖像上除出現單亮點外，還觀察到很高的“雙極”和“四極”斑點。如圖6-29.后二者以一個單元出現，有事旋轉，有時變為另一種形式，有時在離子的轟擊下消失。這些單元很像鈦青銅分子的圖像。因為根據X射線分析，鈦青銅分子是四極分子，其結構如圖6-30所示。當然fem也有一定局限性，例如，某些被分析的樣品

10、男一直被成曲率半徑為0.1um的tip;對原子較為稀疏的晶面或偶極距較大的吸附原子的研究，需考慮tip表面存在強電場的影響。五 空間電荷對FEM圖像的影響眾所周知,場發射電流密度大,因而場發射電流在尖端前面所形成的空間電荷比較嚴重.一般講場強愈弱,空間電荷層愈薄熒光屏上放大圖像就愈能反映尖端表面的真實情況.圖2給出我們所攝得的在不同場強及對應場發射電流下一組W(110)尖的高分辨力熱場發射顯15微圖(HRTFEM).從照片1可見,當場強在3.6×107V/cm時,場發射電流僅為0.2LA,此時在照片上吸附在鎢上的鋯原子清晰可見,分辨力優于0.2nm以上.但隨著場強的增加,場發射電流很快上升,空間電荷影響也愈來愈嚴重,尖端直接表面上清晰圖形發生嚴重畸變(照片2,3).當場強增加到2.5×108V/cm時總發射電流已增到900LA,所得的FEM圖形已失去表面結構的特征,只能隱約可見代表幾個低指數晶面的黑點與亮區.這就是當前一些資料所發表的FEM圖形參考文獻1 高分辨力熱場發射顯微鏡(HRTFEM)及其應用陳爾綱楊德清竇菊英孫祥樂(云南大學物理系,云南昆明650091)2 Muller E.W., Work function of tungsten single crystal planes measured by the field emission mi