Feldionenmikroskop (FIM)

Das Feldionenmikroskop [1] projiziert die Oberfläche einer spitzenförmigen Probe auf einen Detektor und ermöglicht dabei die Abbildungen einzelner Atome. Bei Hochvakuum mit einem Restdruck eines Edelgases (He, Ne, Ar…), wird eine positive Spannung an die Probe angelegt. Edelgasatome ionisieren bevorzugt an Orten erhöhter elektrischen Felder (diskret unmittelbar an Gitterebenen und hervorstehenden Atomen an Gitter-Randpositionen), und diese feld-desorbierten Ionen werden im elektrischen Feld der Spitze auf einen positions-sensitiven Detektor beschleunigt. Die Flugbahn lässt sich als Punkt-Projektion beschreiben. Eine typische FIM-Aufnahme einer Wolfram Probe ist in a) zu sehen. Ringe stellen einzelne Atomebenen, die hellen Punkte einzelne Atome auf der Spitzenoberfläche dar.

Das FIM am Institut (Bild b) wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Peter Felfer aus einem Grunddesign von Dr. Patrick Stender vom Institut für Materialwissenschaften, Uni Stuttgart, kontinuierlich weiterentwickelt und aufgebaut.

Hervorzuhebende Merkmale dieses FIMs sind:

  • Der angeschlossener Spannungspulser ermöglicht automatisierte 3D-FIM Analysen [2].
  • Eine Titansublimationspumpe mit Cryo-Shield zusätzlich zur Turbopumpe in der Hauptkammer sowie ein Ventil zwischen Turbopumpe und Hauptkammer. Letzteres ermöglicht 1) FIM bei einem dynamischen Gleichgewicht der Pumpleistung Turbopumpe und dem Edelgas Durchflusses, oder 2) das Abschließen der der Turbopumpe bei fortlaufender Titan-Sublimationspumpe und Cryo-Pumpe.
  • Die hohe Anpassungsmöglichkeiten der Anlage an spezielle wissenschaftliche Fragestellungen. Viele freie Vakuum-Ports ermöglichen den Anbau an die Anlage. Perspektiven wurden im Design berücksichtigt, so ist die Probenstage der Pufferkammer kühlbar für Cryo-Transfer Versuche (analog zu [3]), oder das FIM zur Atomsonde ausbaubar.

Weitere technische Details zur Anlage:

Das Vakuumsystem besteht aus drei Kammern: a) Load-Lock zum schnellen Schleusen der Probe, b) Pufferkammer zum Ablegen mehrerer Proben und c) die Analysekammer. Alle Kammern werden über Turbomolekularpumpen (Pfeiffer Vacuum) gepumpt, wobei die Hauptkammer zusätzlich über eine Titan-Sublimationspumpe mit Cryo-Shield (GammaVacuum) verfügt. Die Probe wird über einen zweistufigen Kühlkopf (OxfordCryosystems) gekühlt und die Probentemperatur lässt sich über eine Gegenheizung regeln. Der Detektor 7,7 cm große Detektor (Bild c) ist ein P43 Phosphorschirm mit zweistufiger Mikrokanalplattenverstärkung.

[1]          E.W. Müller, Das Feldionenmikroskop, Z. Für Phys. 131 (1951) 136–142. https://doi.org/10.1007/BF01329651.

[2]          M. Dagan, B. Gault, G. Smith, P. Bagot, M. Moody, Automated atom-by-atom three-dimensional (3D) reconstruction of field ion microscopy data, Microsc. Microanal. 23 (2017) 255–268. https://doi.org/10.1017/S1431927617000277.

[3]          S.S.A. Gerstl, R. Wepf, Methods in creating, transferring, & measuring cryogenic samples for APT, Microsc. Microanal. 21 (2015) 517–518. https://doi.org/10.1017/S1431927615003384.

 

Verantwortlicher Mitarbeiter:

Prof. Dr. Peter Felfer

Gruppenleiter Atomsondentomographie & 3D-Nanoanalytik

Department Werkstoffwissenschaften (WW)
Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften (Allgemeine Werkstoffeigenschaften)