Атомный зонд

АТОМНЫЙ ЗОНД, микроанализатор с разрешением порядка размера атома, представляющий собой ионный проектор в сочетании с масс-спектрометром. Полевой ионный микроскоп (ионный проектор) позволяет выбрать для анализа такую малую область, которая состоит из группы атомов или даже одного атома. Существуют варианты так называемого изображающего атомного зонда, который анализирует все атомы, видимые на поверхности. Выбранный для исследования атом (или атомы) удаляется с поверхности и ионизуется электрическим полем (смотри Ионизация полем), а затем направляется в масс-спектрометр для идентификации. Атомный зонд выявляет не только массу, но и кратность заряда анализируемого иона.

Первый атомный зонд изготовлен немецким физиком Э. Мюллером с сотрудниками в 1968 году. Это был узкоапертурный атомный зонд с анализом ионов по времени пролёта (времяпролётный атомный зонд). Короткий высоковольтный импульс напряжения производил испарение атомов поверхности (т. е. ионизацию), в том числе выбранного атома. Образовавшийся ион сквозь зондовое отверстие попадал в дрейфовое пространство и в конце дрейфа регистрировался детектором. По времени дрейфа, которое зависит от отношения массы иона к его заряду, идентифицировался атом. В дальнейшем для увеличения яркости полевого ионного изображения стали использовать микроканальные электронные умножители. Спектрометрическое разрешение по массе (М) времяпролётного атомного зонда ΔМ/М= 10^-3 (на полувысоте пика). Такого разрешения достаточно для определения нуклидов любого элемента. Времяпролётный атомный зонд позволяет наблюдать полный спектр масс атомов от избранного участка объекта. Однако для высокого масс-спектрометрического разрешения необходим очень короткий (порядка 10 нс) ионизующий импульс с крутыми фронтами, что затрудняет исследования некоторых полупроводников. Вместо электрического импульса используют также короткий лазерный импульс. В этом случае фронты импульса не искажаются и допустима работа с полупроводниками.

Замена в атомном зонде времяпролётного масс-спектрометра магнитным (магнитный атомный зонд) сняла жёсткие требования к ионизующему импульсу. Преимуществом магнитной фокусировки является возможность применения больших ускоряющих напряжений, что даёт большую яркость изображения, достаточную для киносъёмки быстропротекающих явлений на поверхности. Кроме того, магнитный атомный зонд характеризуется высоким разрешением по массам. Однако он не позволяет в одном опыте просмотреть все возможные массы, а требует настройки на определённый участок спектра.

Узкоапертурный атомный зонд позволяет анализировать одновременно лишь малую область объекта. Это ограничение снимает широкоугольный времяпролётный атомный зонд, в котором в качестве детектора ионов используется вогнутая сферическая микроканальная пластина, а остриё-объект помещается в центр кривизны пластины. Все ионы, возникающие на исследуемой поверхности, проходят одинаковое расстояние до детектора, разделяясь во время дрейфа на пакеты в соответствии с отношением заряда к массе. Широкоугольный атомный зонд позволяет выявлять эффекты анизотропии и другие локальные эффекты.

Современная компьютерная обработка получаемых изображений и масс-спектров позволяет визуализировать положение разных атомов, фазовые границы и дефекты решётки кристалла. Атомный зонд применяется в металловедении при изучении начальных стадий распада и сегрегации в сплавах, радиационных эффектов и тому подобное.

Лит.: Миллер М., Смит Г. Зондовый анализ в автоионной микроскопии. М., 1993.