場發射顯微鏡是米勒（muller）在1936年發明的，但其重要性卻直到第二次世界大戰之後才逐漸被認識，近年來，超高真空技術飛速進步，為場發射顯微鏡的發展和套用提供了條件，現在場發射顯微鏡已成為在表面現象的研究中最受重視的一種技術。利用這種技術使我們能夠直接觀察到不同晶面的不同吸附性質以及吸附原子或分子在表面上的活動情況，甚至可以看到個別吸附分子的象。
基本介紹
- 中文名：場發射顯微鏡
- 外文名：Field Emission microscope
- 技術：場發射
- 研究始於：1897年
- 套用：分析測試
- 英文簡稱：FEM
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場致發射研究的歷史回顧
場致發射發現於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後，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。五十年代由於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。他們採用多尖端陰極，並將它首先套用於脈衝（閃光）x光管中，以後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衝電子注加速器。這種加速器在幾百千伏到10兆伏的脈衝加速電壓下，從尖端或刀口陰極發射104—106A的電流，電子注的脈衝功率達1013—1014W。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，還可以產生大功率雷射、大功率激波、毫米波、亞毫米波，模擬輻射效應，還可能用於電漿加熱、約束電漿、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，稱電漿場發射，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，逐漸套用於上述儀器的電子槍中。
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。
場發射顯微鏡（FEM）原理
右圖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，位於球形玻殼的中心，作為場電子發射陰極，表示為K。玻殼視窗的內壁先蒸塗上一層透明的導電層（通常為二氧化錫），然後塗敷上螢光粉，製成高發光效率的螢光屏S。導電層與電極A相連線，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，最後打在螢光屏上。這樣，在螢光屏上就顯示出來陰極（樣品）尖端發射電子能力的像。而場發射電流密度與逸出功E（φ）和電場強度ε有指數關係，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，經過腐蝕加工製成。通常情況下，其場電子發射部分是單晶，由於尖端尺寸很小，往往小於多晶晶粒大小，而且球面暴露部分多是低表面能平台。實際製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
ε=V/(γr)（1.1）
式中的γ是與針尖結構有關的參數。由式1.1可知，對於曲率半徑r=1000埃的針尖，陰極加上2—5KV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。對於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是螢光屏的半徑，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/βr（1.3）
式中壓縮係數β取值為1.5—2。通常圖像是軸向對稱的，在螢光屏上發射體幾乎是均勻的。線性放大倍數的數量級為105—106。
場發射顯微鏡的套用
利用場發射顯微鏡可以判斷尖端材料是否純淨，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後（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。在場發射顯微鏡螢光屏上可以看到在單晶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範圍內進行。
