Автоэмиссионное изображение вольфрамового катода в автоэмиссионном микроскопе
На рисунке 4 показано автоэмиссионное изображение закругленного высокотемпературным прогревом вольфрамового монокристаллического катода. Оно представляет ряд симметрично расположенных темных и светлых областей. Это говорит о том, что работа выхода электронов из катода (острия) различна на разных участках его поверхности. Установлено (с помощью фотографий острий в электронном микроскопе), что закругленное вольфрамовое острие имеет гладкую сферическую поверхность с неровностями порядка постоянной кристаллической решетки. Следовательно, основной причиной неравномерности эмиссии с монокристаллического острия является различная работа выхода в разных кристаллографических направлениях, а не изменение напряженности поля (см. формулу 42).
По современным представлениям на границе металл-вакуум создается двойной электрический слоя. Возникновение двойного электрического слоя приписывается следующему механизму: согласно современной теории твердого поля; вокруг ядра атома в каждой ячейке металла образуется электронное облако. Внутри металла центр тяжести электронного облака совпадает с ядром атома. Если ячейка расположена на границе, то электронное облако выступает наружу на величину разности радиусов атома в газообразном состоянии и в кристаллической решетке. Центр тяжести электронного облака сместится относительно ядра, и каждая элементарная ячейка на поверхности будет обладать дипольным моментом . У поверхности металла образуется двойной электрические слой с моментом , где – число атомов на единицу поверхности. Скачок потенциала при переходе через двойной слой будет равен (в системе СГСЭ), а работа, которую совершает вылетевший из металла электрон при прохождении двойного слоя
(3.1)
где – заряд электрона в (СГСЭ);
– работа выхода в эВ.
Рисунок 4 – Автоэмиссионное изображение вольфрамового острия
Рисунок 5 – Стереографическая проекция кубического объемно-центрированного кристалла
Так как момент элементарной ячейки и поверхностная плотность атомов зависят от структуры грани на поверхности, то и работа выхода электронов зависит от того, какая грань кристалла выходит на поверхность металла, т.е. от кристаллографического направления. Количественные расчеты моментов двойных слоев различных плоскостей очень сложны и не приведи до сих пор к удовлетворительным результатам. Однако, вычисления, сделанные для монокристалла вольфрама, качественно дают правильную картину. Найдено, что кристаллографические грани с большой плотностью поверхностных атомов имеют большую работу выхода, что и подтверждает опыт. Зная структуру решетки металла катода, можно, используя соответствующую орфографическую проекцию, рисунок 5, определить какое кристаллографическое направление соответствует данной темной или светлой области на изображении.
Пример. Рассмотрим монокристалл вольфрама, изображение которого Приведено на рисунке 4. Элементарная ячейка решетки вольфрама является объемно-центрированным кубом (рисунок 6). Положение всякой грани кристалла относительно выбранной системы координат задается теми отрезками , которые эта грань отсекает на осях. Такие отрезки называются параметрами грани. Каждую грань с параметрами принято характеризовать индексами Миллера , где ; ; – целые числа; – расстояния между атомами в решетке по осям соответственно. Так грань, которая отсекает по осям отрезки , , изобразится индексами
(3.2)
Рисунок 6 – Элементарная ячейка объемно-центрированной кубической решетки
Если какой-то параметр отрицательный, то под соответствующим индексом ставится сверху черта. Например, если отрицателен, то индексы будут выглядеть так – .
Монокристалл (или элементарная ячейка его решетки) имеет оси симметрии различных порядков. При повороте кристалла вокруг от симметрии на некоторый угол все его точки в новом положении совпадают с точками в прежнем положении. Порядком оси называется число совмещений при полном повороте кристалла на 360°. Если при повороте на 360° кристалл совмещается три раза, то ось называется осью третьего порядка. Направление оси обозначается индексами грани, перпендикулярной к ней. Для монокристалла вольфрама (рисунки 4 и 5) направления [100], [010] и [001] являются осями четвертого порядка, а направления [110], [101] и [011] – осями второго порядка, направление [111] – осью третьего порядка и т.д.
Для того чтобы установить, какому кристаллографическому направлению соответствуют темные пятна изображения (идентифицировать автоэмиссионной изображение), поступают следующим образом. Прежде всего, обращают внимание на симметрию картины и на величину отдельных пятен. Замечают, нельзя ли повернуть картину вокруг какого-нибудь темного пятна так, чтобы при полном обороте на 360° она совпала " " раз с картиной в первоначальном положении. Тогда данное пятно будет относиться к оси симметрии " " - го порядка. Зная тип кристаллической решетки металла острия, находят направление в кристалле с симметрией " " - го порядка и отмечают его индексы . Например, темное пятно в центре автоэмиссионного изображения вольфрамового острия (рисунок 4) соответствует оси второго порядка (при полном обороте вокруг этого направления картины совместятся два раза). Такая ось в элементарной ячейке вольфрама имеет направление типа [011].
После того, как изучено, какому направлению отвечает одно из пятен на изображении, можно найти, к каким направлениям относятся остальные пятна. Для этого измеряют расстояние " " на изображении между пятном и другими пятнами, и, зная радиус колбы , получают и между направлением и направлениями других пятен.
Поскольку электроны, вылетающие с острия (часть острия, с которой вылетают электроны, принимается за сферическую), следуют вдоль линий напряженности радиально от острия к экрану, то изображение увеличивается в
(3.3)
раз, где – радиус колбы микроскопа; – радиус остри.
(3.4)
(3.5)
При вычислении угла следует учесть отклонение электронов от радиального движения
(3.6)
где фактор сжатия 1.5.
Взяв угол между направлениями и другими направлениями, можно узнать индексы направлений, соответствующих пятнам на изображении по таблице 1.
Рисунок 7 – Увеличение автоэмиссионного микроскопа
Таблица 1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 18°
| 54°
| 0°
| 40°
| 50°
| 29°
| 35°
| 25°
|
| 30°
| 0°
| 35°
| 18°
| 26°
| 31°
| 45°
| 20°
|
Если радиусы колбы брать 2 ÷ 5см, а радиус острия = 1000 Å = 1·10-5 см, . Однако качество микроскопа определяется не степенью увеличения, а его разрешающей способностью, которая у автоэмиссионного микроскопа составляет 10 ÷ 30 Å. На разрешение автоэмиссионного микроскопа влияют:
а) тангенциальная компонента скорости вылетающих из катода электронов;
б) дифракция электронов.
Напомним, что в оптическом микроскопе достигнуто предельное разрешение 2000 Å. Разрешение в автоэмиссионном микроскопе составляет 20 ÷ 30 Å.
Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 695 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|