Microscopía de emisión de campo

La microscopía de emisión de campo ( FEM ) es una técnica analítica que se utiliza en la ciencia de los materiales para estudiar las superficies de los ápices de las agujas. ^{[ 1 ] [ 2 ]} La FEM fue inventada por Erwin Wilhelm Müller en 1936, ^{[ 3 ]} y fue uno de los primeros instrumentos de análisis de superficies que podía alcanzar una resolución casi atómica .

Las técnicas de microscopía se utilizan para generar imágenes ampliadas en el espacio real de la superficie del ápice de una punta. Por lo general, la información microscópica se refiere a la cristalografía de la superficie (es decir, cómo se disponen los átomos en la superficie) y a la morfología de la superficie (es decir, la forma y el tamaño de las características topográficas que la componen).

La microscopía de emisión de campo (FEM) fue inventada por Erwin Müller en 1936. ^{[ 3 ]} En FEM, el fenómeno de emisión de electrones de campo se utilizó para obtener una imagen en el detector basándose en la diferencia en la función de trabajo de los diversos planos cristalográficos en la superficie.

Un microscopio de emisión de campo consta de una muestra metálica con forma de punta afilada y una pantalla fluorescente encerrada en una cámara de ultra alto vacío. Típicamente, el radio de la punta utilizada en este microscopio es del orden de 100  nm y está hecha de un metal con un alto punto de fusión , como el tungsteno . ^{[ 4 ]} La muestra se mantiene a un gran potencial negativo (1–10 kV) con respecto a la pantalla fluorescente, lo que genera un campo eléctrico cerca del ápice de la punta de 2 a 7 mil millones de V/m. Este campo eléctrico impulsa la emisión de campo de electrones.

Los electrones emitidos por el campo viajan a lo largo de las líneas de campo y producen zonas brillantes y oscuras en la pantalla fluorescente, mostrando una correspondencia uno a uno con los planos cristalinos del emisor hemisférico. La corriente de emisión varía notablemente con la función de trabajo local , siguiendo la ecuación de Fowler-Nordheim . Por lo tanto, la imagen FEM refleja el mapa de función de trabajo proyectado de la superficie del emisor. Generalmente, las superficies atómicamente rugosas tienen funciones de trabajo más bajas que las superficies compactas, lo que da como resultado áreas brillantes en la imagen. En resumen, las variaciones de intensidad de la pantalla corresponden al mapa de función de trabajo de la superficie del ápice de la punta.

La magnificación viene dada por la relación${\displaystyle M=L/R}$, dónde${\displaystyle R}$es el radio del ápice de la punta, y${\displaystyle L}$es la distancia punta-pantalla. Se alcanzan magnificaciones lineales del orden de 10⁵ ^.  La técnica FEM tiene una resolución espacial de alrededor de 1-2  nm. ^{[ 2 ]} No obstante, si se coloca una partícula de 1  nm en el ápice de una punta, la magnificación puede aumentar en un factor de 20 y la resolución espacial se incrementa a aproximadamente 0,3  nm. ^{[ 5 ]} Esta situación se puede lograr utilizando emisores de electrones de molécula única, ^{[ 6 ]} y es posible observar orbitales moleculares en moléculas de fullereno individuales mediante FEM. ^{[ 7 ]}

La aplicación del método de elementos finitos (MEF) está limitada por los materiales que pueden fabricarse con forma de punta afilada y que toleran campos electrostáticos intensos. Por ello, los metales refractarios con altas temperaturas de fusión (p. ej., W, Mo, Pt, Ir) son los materiales habituales para los experimentos de MEF. Además, el MEF también se ha utilizado para estudiar procesos de adsorción y difusión superficial , aprovechando el cambio en la función de trabajo asociado al proceso de adsorción.

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