電界放出顕微鏡

電界放出顕微鏡（FEM ）は、材料科学において針状結晶の先端の表面を研究するために使用される分析技術である。 ^{[1] [2]} FEMは1936年にエルヴィン・ヴィルヘルム・ミュラーによって発明され、 ^[3]原子レベルに近い 解像度に近づくことができる最初の表面分析装置の1つであった。

顕微鏡技術は、先端の表面の拡大された実空間画像を生成するために使用されます。通常、顕微鏡情報は、表面結晶学（つまり、表面での原子の配列）と表面形態学（つまり、表面を形成する地形的特徴の形状とサイズ）に関係します。

電界放出顕微鏡（FEM）は、1936年にエルヴィン・ミュラーによって発明されました。^{[3] FEMでは、}電界電子放出現象を利用して、表面のさまざまな結晶面の仕事関数の違いに基づいて検出器上に画像を取得しました。

電界放出顕微鏡は、鋭い先端のような形状の金属サンプルと、超高真空チャンバー内に封入された蛍光スクリーンで構成されています。通常、この顕微鏡で使用される先端半径は100 nm程度で、タングステンなどの高融点金属で作られています。^[4]サンプルは蛍光スクリーンに対して大きな負の電位（1～10 kV）で保持され、先端の先端近くに2～7 x 10 ⁹ V/mの電界が発生します。この電界により電子の 電界放出が促進されます。

電界放出電子は電界線に沿って移動し、蛍光スクリーン上に明るい部分と暗い部分を生成し、半球状エミッターの結晶面と 1 対 1 で対応します。放出電流は、ファウラー・ノルドハイム方程式に従って、局所仕事関数によって大きく変化します。したがって、FEM 画像は、エミッター表面の投影された仕事関数マップを反映しています。一般に、原子レベルで粗い表面は密集した表面よりも仕事関数が低いため、画像内に明るい領域が生じます。つまり、スクリーンの強度変化は、先端部表面の仕事関数マップに対応しています。

倍率は比 で与えられ、ここで は探針先端の半径、 は探針・スクリーン間距離です。10 ⁵オーダーの線形倍率 が達成されます。FEM 技術の空間分解能は約 1 - 2 nm です。^[2]ただし、1 nm サイズの粒子を探針先端に配置すると、倍率は 20 倍に増加し、空間分解能は約 0.3 nm に向上します。^[5]この状況は、単一分子電子エミッターを利用することで実現できます。^[6]また、FEM を使用して単一のフラーレン分子の分子軌道を観察することもできます。^[7]${\displaystyle M=L/R}$${\displaystyle R}$${\displaystyle L}$

FEM の適用範囲は、鋭い先端の形状に加工でき、高い静電場に耐えられる材料に限られます。これらの理由から、融点の高い耐火金属(例: W、Mo、Pt、Ir) は、FEM 実験の一般的な対象です。さらに、FEM は、吸着プロセスに関連する仕事関数の変化を利用して、 吸着プロセスと表面拡散プロセスを研究するためにも使用されています。

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