Feldionenmikroskopie

FIM-Bild einer Wolframspitze in <110>-Orientierung bei 11kV. Die Ringstruktur resultiert aus der Anordnung der Atome in einem krz-Gitter. Einzelne helle Punkte können als einzelne Atome interpretiert werden.

Schematische Darstellung eines FIM

Das Feldionenmikroskop (FIM) ist ein Analysegerät der Materialwissenschaften. Es handelt sich dabei um ein spezielles Mikroskop, das die Atomanordnung auf der Oberfläche einer scharfen Nadelspitze sichtbar macht. Das Verfahren, mit dem erstmals einzelne Atome aufgelöst werden konnten, wurde von Erwin Müller entwickelt. Bilder der Atomstruktur von Wolfram wurden erstmals 1951 in der Zeitschrift für Physik veröffentlicht.

Funktionsweise

Für die Untersuchung einer Probe in einem FIM wird eine scharfe Metallspitze hergestellt und in einer Vakuumkammer, die mit einem Edelgas (z. B. Helium oder Neon) gefüllt ist, platziert. Es werden Edelgase verwendet, weil man damit ein höheres elektrisches Feld (E-Feld) braucht, um sie zu ionisieren (abgeschlossene Schalen). Höheres E-Feld bedeutet dann auch höhere Auflösung. Die Spitze wird auf eine Temperatur zwischen 20-100 K abgekühlt, um die Unruhe der Atome wegen der Wärmebewegung zu verringern. Eine positive Hochspannung von 5 bis 10 kV wird zwischen der Spitze und einem Detektor, z. B. einer Kombination aus Mikrokanalplatte und Phosphorschirm, angelegt. Eine negative Spannung an der Spitze würde eine unerwünschte Feldemission von Elektronen hervorrufen.

Gasatome werden durch das starke elektrische Feld in der Nähe der Spitze ionisiert (daher Feldionisation), positiv geladen und von der Spitze abgestoßen. Dabei muss die elektrische Feldstärke zwar hinreichend groß sein, um Feldionisiation der Gasatome zu ermöglichen, aber so gering sein, dass eine Ablösung von Atomen der Spitzenoberfläche (Feldverdampfung oder Felddesorption) vermieden wird.

Im Gegensatz zu anderen Mikroskoptypen (Lichtmikroskop, Elektronenmikroskop), bei denen das Auflösungsvermögen durch die Wellenlänge der zur Abbildung verwendeten Teilchen bestimmt wird, hängt die Vergrößerung des Feldionenmikroskopes im Wesentlichen von der Krümmung der Spitzenoberfläche und der angelegten Spannung ab. Die ionisierten Gasatome werden radial (senkrecht zur Oberfläche) von der Spitzenoberfläche auf den Detektor beschleunigt und vermitteln eine Zentralprojektion der Spitzenoberfläche mit einer Vergrößerung, die im Bereich von 10⁵...10⁶ liegt. Damit ist es problemlos möglich, einzelne Atome der Spitzenoberfläche abzubilden und Gitterfehler wie z. B. Versetzungen zu beobachten.

Siehe auch

• Feldelektronenmikroskop
• Atomsonde
• Beim Focused-Ion-Beam-Mikroskop wird ein wie oben erzeugter Ionenstrahl fokussiert und zur Untersuchung eines Objekts verwendet.

Literatur

• Erwin Wilhelm Müller: Das Feldionenmikroskop, Z.Phys. 131, 136 (1951)