Ионный проектор

Ионный проектор, автоионный микроскоп, безлинзовый ионно-оптический прибор для получения увеличенного в несколько миллионов раз изображения поверхности твёрдого тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2-3 , что даёт возможность наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решётке. И. п. изобретён в 1951 немецким учёным Э. Мюллером, который ранее создал электронный проектор.

Принципиальная схема И. и. показана на рис. 1. Положительным электродом и одновременно объектом, поверхность которого изображается на экране, служит остриё тонкой иглы. Атомы (или молекулы) газа, заполняющего внутренний объём прибора, ионизуются в сильном электрическом поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои электроны. Возникшие положительные ионы приобретают под действием поля радиальное (перпендикулярное поверхности острия) ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциал которого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорционально плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит в увеличенном масштабе распределение плотности возникновения ионов вблизи острия. Масштаб увеличения m равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r, m = R/r (чем тоньше остриё, тем больше увеличение).

Вероятность прямой ионизации газа в электрическом поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизационного потенциала этой частицы. Напряжённость такого поля чрезвычайно велика - от 2 до 6 в/ , т. е. (2-6)×10⁸ в/см. Столь сильное поле легко создать у поверхности острия (на удалении 5-10 ?от неё) при достаточно малом радиусе кривизны поверхности - от 100 до 1000 . Именно этим (наряду со стремлением к большим увеличениям) обусловлено использование в И. п. образца в виде тонкого острия. Происходящий в И. п. процесс ионизации газа в сильном поле острия носит название автоионизации.

Вблизи острия электрическое поле неоднородно - над ступеньками кристаллической решётки или отдельными выступающими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность автоионизации выше и количество ионов, образующихся в единицу времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Ионный ток и, следовательно, яркость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, которое в И. п., однако, обычно не превышает примерно 0,001 мм рт. ст.; при более высоком давлении начинается газовый разряд.
Разрешающая способность И. п. зависит главным образом от касательных (относительно поверхности острия) составляющих тепловых скоростей ионов и от напряжённости ноля у острия. В отличие от электронного проектора, в И. п. влияние дифракции на разрешающую способность относительно мало вследствие значительно большей (по сравнению с электронами) массы ионов. Далее, разрешение И. п. существенно зависит от поляризуемости a атомов (или молекул) рабочего газа; наиболее пригодны для использования в И. п. газы с малой a (водород, гелий). Большинство частиц газа достигает поверхности острия, не претерпев ионизации. При обычных температурах они затем покидают её, обладая значительными касательными составляющими скорости. При охлаждении острия до температуры жидкого водорода или азота (20-78 К) неионизованные молекулы на некоторое время "прилипают" к нему, теряя свою кинетическую энергию. Их ионизация происходит после испарения с острия (для гелия на расстоянии " 5 ?от него; локальное распределение поля на таком удалении от поверхности достаточно хорошо выявляет атомную структуру острия, см. рис. 2).
И. п. широко применяется для исследования атомной структуры чистых металлов и различных сплавов и её связи с их механическими свойствами; всевозможных дефектов в кристаллах, в частности дислокаций и повреждений, вызванных радиоактивным облучением; влияния способов обработки, например пластических деформаций, на свойства материалов. С его помощью изучают процессы коррозии, адсорбции и десорбции, свойства тонких пленок, осаждённых на поверхности металлов. Сопоставление результатов исследований в электронном проекторе и в И. п. позволяет получить значительную информацию об электронных свойствах металлов, сплавов и плёночных систем, чрезвычайно важную в современной электронике. Ведутся работы, ставящие целью изучение с помощью И. п. структуры биологических молекул.
Лит.: Мюллер Э., Автоионная микроскопия, "Успехи физических наук", 1967, т. 92, в, 2, с. 293; Автоионная микроскопия, пер. с англ., М., 1971.