Microscopio de iones de campo

El microscopio de iones de campo (FIM) fue inventado por Müller en 1951. ^{[ 1 ]} Es un tipo de microscopio que se puede utilizar para obtener imágenes de la disposición de los átomos en la superficie de una punta metálica afilada.

El 11 de octubre de 1955, Erwin Müller y su estudiante de doctorado, Kanwar Bahadur (Universidad Estatal de Pensilvania), observaron átomos individuales de tungsteno en la superficie de una punta de tungsteno afilada, enfriándola a 21 K y utilizando helio como gas de imagen. Müller y Bahadur fueron los primeros en observar átomos individuales directamente. ^{[ 2 ]}

En la microscopía de fluorescencia de iones (FIM), se fabrica una punta metálica afilada (con un radio de punta inferior a 50 nm  ) y se coloca en una cámara de ultra alto vacío , que se llena con un gas de imagen como helio o neón . La punta se enfría a temperaturas criogénicas (20-100 K). Se aplica un voltaje positivo de 5 a 10 kilovoltios a la punta. Los átomos de gas adsorbidos en la punta se ionizan por el fuerte campo eléctrico en las proximidades de la punta (de ahí el término "ionización de campo"), adquiriendo carga positiva y siendo repelidos. La curvatura de la superficie cerca de la punta produce una magnificación natural: los iones son repelidos en una dirección aproximadamente perpendicular a la superficie (efecto de "proyección puntual"). Se coloca un detector para recoger estos iones repelidos; la imagen formada a partir de todos los iones recogidos puede tener la resolución suficiente para visualizar átomos individuales en la superficie de la punta.

A diferencia de los microscopios convencionales, donde la resolución espacial está limitada por la longitud de onda de las partículas que se utilizan para la obtención de imágenes, el FIM es un microscopio de tipo proyección con resolución atómica y una ampliación aproximada de unos pocos millones de veces.

La microscopía de emisión de campo (FEM), al igual que la FIM, consta de una punta de muestra afilada y una pantalla fluorescente (ahora reemplazada por una placa multicanal ) como elementos clave. Sin embargo, existen algunas diferencias esenciales, como se detalla a continuación:

1. El potencial de la punta es positivo.
2. La cámara se llena con un gas de imagen (normalmente, He o Ne a una presión de 10⁻⁵ ^a 10⁻³ ^Torr ).
3. La punta se enfría a bajas temperaturas (~20-80 K).

Al igual que en FEM, la intensidad del campo en el ápice de la punta suele ser de unos pocos V/ Å . La configuración experimental y la formación de imágenes en FIM se ilustran en las figuras adjuntas.

En la microscopía de fluorescencia de imágenes (FIM), la presencia de un campo intenso es fundamental. Los átomos del gas de imagen (He, Ne) cerca de la punta se polarizan por el campo y, dado que este no es uniforme, los átomos polarizados son atraídos hacia la superficie de la punta. Posteriormente, los átomos de imagen pierden su energía cinética realizando una serie de saltos y se adaptan a la temperatura de la punta. Finalmente, los electrones que atraviesan la superficie los ionizan por efecto túnel, y los iones positivos resultantes se aceleran a lo largo de las líneas de campo hacia la pantalla, formando una imagen de alta magnificación de la punta de la muestra.

En FIM, la ionización se produce cerca de la punta, donde el campo es más intenso. El electrón que atraviesa el átomo por efecto túnel es captado por la punta. Existe una distancia crítica, xc, en la que la probabilidad de tunelización es máxima. Esta distancia suele ser de aproximadamente 0,4  nm. La altísima resolución espacial y el alto contraste para las características a escala atómica se deben a que el campo eléctrico se intensifica en las proximidades de los átomos de la superficie debido a la mayor curvatura local. La resolución de FIM está limitada por la velocidad térmica del ion de imagen. Se puede lograr una resolución del orden de 1 Å (resolución atómica) mediante un enfriamiento eficaz de la punta.

La aplicación de FIM, al igual que la de FEM, está limitada por los materiales que pueden fabricarse en forma de punta afilada, utilizarse en un entorno de ultra alto vacío (UHV) y tolerar campos electrostáticos elevados . Por estas razones, los metales refractarios con alta temperatura de fusión (p. ej., W, Mo, Pt, Ir) son objetos convencionales para experimentos de FIM. Las puntas metálicas para FEM y FIM se preparan mediante electropulido (pulido electroquímico) de alambres delgados. Sin embargo, estas puntas suelen contener muchas asperezas . El procedimiento de preparación final implica la eliminación in situ de estas asperezas mediante evaporación de campo, simplemente aumentando el voltaje de la punta. La evaporación de campo es un proceso inducido por campo que implica la eliminación de átomos de la superficie misma a intensidades de campo muy elevadas y suele ocurrir en el rango de 2 a 5 V/Å. El efecto del campo en este caso es reducir la energía de enlace efectiva del átomo a la superficie y, en efecto, dar una tasa de evaporación mucho mayor en relación con la esperada a esa temperatura en campo cero. Este proceso es autorregulado, ya que los átomos que se encuentran en posiciones de alta curvatura local, como los adátomos o los átomos de borde, se eliminan preferentemente. Las puntas utilizadas en FIM son más afiladas (radio de punta de 100 a 300 Å) en comparación con las utilizadas en experimentos FEM (radio de punta de aproximadamente 1000 Å).

La técnica FIM se ha utilizado para estudiar el comportamiento dinámico de las superficies y el comportamiento de los adátomos sobre ellas. Entre los problemas estudiados se incluyen los fenómenos de adsorción - desorción , la difusión superficial de adátomos y cúmulos, las interacciones entre adátomos, el movimiento de escalones, la forma cristalina de equilibrio, etc. Sin embargo, existe la posibilidad de que los resultados se vean afectados por la superficie limitada (es decir, los efectos de borde) y por la presencia de un campo eléctrico intenso.

• sonda atómica
• Microscopio electrónico
• microscopía de emisión de campo
• Lista de métodos de análisis de superficies

• Centro de Tomografía por Sonda Atómica de la Universidad Northwestern
• Fotografía de la punta de una aguja de tungsteno, obtenida mediante microscopía de fluorescencia de iones (FIM) en la Wayback Machine (archivada el 22 de noviembre de 2013).
• Partes del microscopio que debes conocer.

• Müller, E.; Bahadur, K. (1956). "Ionización de campo de gases en una superficie metálica y la resolución del microscopio de iones de campo". Physical Review . 102 (3): 624. Bibcode : 1956PhRv..102..624M . doi : 10.1103/PhysRev.102.624 .
• Muller, EW (1965). "Microscopía de iones de campo". Science . 149 ( 3684): 591– 601. Bibcode : 1965Sci...149..591M . doi : 10.1126/science.149.3684.591 . JSTOR 1716643. PMID 17747566 .