HAL Id: jpa-00225705
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Submitted on 1 Jan 1986
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COMPUTER-AIDED MEASUREMENT OF FIM INTENSITIES
J. Witt, K. Müller
To cite this version:
J. Witt, K. Müller. COMPUTER-AIDED MEASUREMENT OF FIM INTENSITIES. Journal de
Physique Colloques, 1986, 47 (C2), pp.C2-465-C2-470. �10.1051/jphyscol:1986271�. �jpa-00225705�
COMPUTER-AIDED MEASUREMENT OF FIM INTENSITIES
J. WITT and K. MULLER
L e h r s t u h l f i i r F e s t k t j r p e r p h y s i k , U n i v e r s i t d t E r l a n g e n - N i i r n b e r g . E r w i n - R o m m e f - S t r a s s e 1, 0-8520 E r l a n g e n , F.R.G.
A b s t r a c t
-
M e a s u r e m e n t o f FIM i n t e n s i t i e s c a n p r o v i d e i n f o r m a - t i o n o n t h e l o c a l v a r i a t i o n o f f i e l d i o n i z a t i o n a b o v e a t i p s u r f a c e a n d f a c i l i t a t e s t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n i n d a r k a r e a s o f F I M - p a t t e r n s .I n t r o d u c t i o n
I n t h e F i e l d - I o n - M i c r o s c o p e t h e i m a g e o f a s u r f a c e i s p r o d u c e d b y n o b l e g a s i o n s e m e r g i n g f r o m a n a r r o w i o n i z a t i o n z o n e a f e w
8
a b o v e t h e s u r f a c e . T h e y a r e a c c e l e r a t e d t o w a r d s a f l u o r e s c e n t s c r e e n p r o - d u c i n g a p a t t e r n o f b r i g h t s p o t s w h i c h c o r r e s p o n d t o t h e s u r f a c e a t o m s . T h e i n t e n s i t y o f e a c h i n d i v i d u a l s p o t i s a f u n c t i o n o f s e v e r a l p a r a m e t e r s s u c h a s l o c a l e l e c t r i c f i e l d , g a s c o n c e n t r a t i o n , t e m p e r a - t u r e , w o r k f u n c t i o n e t c . N o r m a l l y o n l y p r o t r u d i n g a t o m s a r e i m a g e d c o n f i n i n g s t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n s t o h i g h i n d e x p l a n e s a n d t h e e d g e s o f l o w i n d e x p l a n e s .We u s e d a v i d e o i n t e n s i t y m e a s u r i n g s y s t e m t o d e t e r m i n e t h e l o c a l v a r i a t i o n o f i o n i z a t i o n p r o b a b i l i t y a b o v e a s i n g l e s u r f a c e a t o m . I t w a s a l s o t r i e d t o e x t r a c t s t r u c t u r a l i n f o r m a t i o n f r o m t h e l o w i n t e n - s i t y a r e a s o f a FIM p a t t e r n b y i n t e n s i t y m e a s u r e m e n t s .
E x p e r i m e n t a l
T h e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d i n a s t a i n l e s s s t e e l v a c u u m s y s t e m , e q u i p p e d w i t h a c r y o p u m p a n d a T i - s u b l i m a t i o n pump p r o v i d i n g a b a s e p r e s s u r e o f 1 0 - ~ m b a r a f t e r m i l d b a k e o u t . S p e c i m e n c o o l i n g w a s a c h i e v e d b y a c l o s e d c y c l e r e f r i g e r a t o r a n d t h e i o n i m a g e c o u l d b e i n t e n s i f i e d b y a s i n g l e s t a g e c h a n n e l p l a t e . FIM i n t e n s i t i e s w e r e r e c o r d e d u s i n g a v i d e o m e a s u r i n g s y s t e m w h i c h c o n s i s t s o f a n i n t e n s i f y i n g v i d e o c a m e r a c o u p l e d t o a L 5 1 11 c o m p u t e r v i a a f a s t A / D - c o n v e r t e r [ l ] . T h e c o m p u t e r s y s t e m p r o v i d e s a w i n d o w a d j u s t a b l e i n s i z e , s h a p e a n d l o c a t i o n d i s p l a y e d o n a T V - s c r e e n i n s i d e o f w h i c h t h e h a r d w a r e i n t e - g r a t e s t h e i n t e n s i t i e s a l o n g t h e l i n e s . E a c h l i n e g i v e s o n e p o i n t i n t h e i n t e n s i t y p r o f i l e . T h e s y s t e m a l l o w s t o r e c o r d o n e i n t e n s i t y p r o - f i l e p e r v i d e o f r a m e . I n o r d e r t o i m p r o v e t h e S / N - r a t i o a l l p r o f i l e s h a v e b e e n a v e r a g e d 1 2 8 t o l 0 2 4 t i m e s .
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1986271
JOURNAL D E PHYSIQUE
S i n q l e S p o t P r o f i l e s
F i g . l s h o w s t h e i n t e n s i t y p r o f i l e o f a F I M s p o t r e s u l t i n g f r o m a s i n g l e W a t o m l e f t o v e r a f t e r c a r e f u l f i e l d e v a p o r a t l o n o f a W(100) p l a n e . D i s t a n c e c a l i b r a t i o n h a s b e e n p e r f o r m e d b y d e t e r m i n i n g t h e d i s t a n c e o f t w o a d j a c e n t a d a t o r n s .
D e c o n v o l u t i o n o f t h e p r o f i l e w i t h t h e t h e r m a l b r o a d e n i n g f u n c t i o n Y t h
E = e l . f i e l d s t r e n g t h , r t
=
t i p r a d i u s , T=
t i p t e m p e r a t u r eK , (3 = g e o m e t r i c a l f a c t o r s
r e n d e r s t h e v a r i a t i o n o f i o n i z a t i o n p r o b a b i l i t y P,,, a b o v e t h e a d a t o m ( f i g . 2 ) . F o r t h e c a l c u l a t i o n s t h e f o l l o w i n g v a l u e s h a v e b e e n u s e d :
E = 4.5
v / W ,
T = 6 3 K , K = 4,B
= 2 .As a r e s u l t Pi,, c a n be d e s c r i b e d b y a Gauss c u r v e o f 2.8
8
FWHM.T h i s v a l u e h a s a l s o b e e n d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e h a l f w i d t h s o f t h e F I M s p o t p r o f i l e s . E x t r a p o l a t i o n t o D K r e n d e r s a v a l u e o f 2 . 7
+
0.21
c o n s i s t e n t w i t h d a t a r e p o r t e d b y S e i d m a n n e t a l .121.
T h e o r e t i c a l c u r v e s f o r t h e i o n i z a t i o n p r o b a b i l i t y a b o v e a W-adatom o n W(1DD) h a v e b e e n c a l c u l a t e d u s i n g a JWKB-model f o r m u l a d e r i v e d b y K i n g h a m e t a l . [ 3 , 47 w h i c h r e a d s i n a s i m p l i f i e d f o r m
a, C , D = m o d e l d e p e n d e n t f a c t o r s g l v e n i n [ 4 ] , I = Ionization p o t e n - t i a l o f i m a g i n g g a s , E
=
e l . f i e l d a t d i s t a n c e o f l o n l z a t l o n r,To i n t r o d u c e t h e e l e c t r i c f i e l d E i n t o t h e a b o v e f o r m u l a we u s e d t h e p o t e n t i a l a b o v e a c o n d u c t i n g s p h e r e i n a h o m o g e n e o u s e l e c t r i c f i e l d
E 0 3
r .
V = E. ( r - 2) 2 c o s
O
T u n n e l i n g o c c u r s b e t w e e n t h e c r i t i c a l p o t e n t i a l q , = I - 0 ( 0
=
w o r k f u n c t i o n ) a n d t h e s u r f a c e p o t e n t i a l
v,,
a s s h o w n i n f i g . 3 . The s h a p e o f t h e c a l c u l a t e d c u r v e s i s u n a f f e c t e d b y v a r i a t i o n o f t h e a d a t o m d i a m e t e r . C a l c u l a t i o n s u s i n g b o t h r i = 1 . 3 7 8 ( h a r d s p h e r e r a d i u s ) a n d r, = 0 . 61
a r e i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t . D e v i a t i o n f r o m t h e s p h e r i c a l m o d e l o f t h e a t o m , h o w e v e r , r e s u l t s i n c h a n g e s o f t h e h a l f w i d t h o f t h e c a l c u l a t e d p r o f i l e s .F o r a n e s t i m a t i o n o f c o n t r a s t i n t h e F I M p a t t e r n we c o m p a r e d t h e i n t e n s i t y o f t h e a d a t o m s p o t t o t h a t o f t h e s m o o t h ( 1 0 0 ) ~ l a n e a f t e r f i e l d e v a p o r a t l o n ( f i g . 4 ) . T a k i n g t h e h a r d s p h e r e r a d i u s o f W(1.37
1)
a b o v e t h e o r y p r e d i c t s an i n t e n s i t y a b o u t t w i c e t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e ; b e t t e r a g r e e m e n t i s a c h i e v e d f o r a s m a l l e r a d a t o m r a d i u s ( t a b l e 1 ) .
[101 -0IRECTION ---+
Fiq. 1: Fiq. 2:
Intensity profile of the F I M s p o t Spatial variation o f ionization o f a W adatom on W(100) probability a b o v e a W adatorn
on(He, T
= 63 K ,U
=5.6 k V ) W(100). All c u r v e s have been
normalized to the s a m e maximum height.
Fiq.
3:Critical equipotential above a W adatom on W(100)
Fiq. 4:
a) Intensity above adatom h,) Intensity a b o v e flat
surface
The higher background of
a )may be due to space ioniza- tion because o f slightly higher emission voltage.
Table 1:
experiment
--
I flat surface above adatorn
r = l. 371 1 r =
1 . 2 5 1JOURNAL DE PHYSIQUE
F i q . 5 :
, + - - F - -\-
\ \ \
\ \ \
2-4- - 4
-
-\+ -y
F i q . 6:!
I n t e n s i t y p r o f i l e s o f a p a r - t i a l l y r e s o l v e d W ( 4 1 1 ) p l a n e ( p h o t o g r a p h t a k e n f r o m T V -
s c r e e n )
,
\ \ ' I n t e n s i t y p r o f i l e s o f a f u l l y r e s o l v e d W ( 4 1 1 ) p l a n e
\
\ \ '\ '\ ( p h o t o g r a p h t a k e n f r o m T V - s c r e e n )
'-\c
- -$- - 4 --r-
\
\ ' \
boundary a$5
L $
-4- 1, - +/
visibilityh ,
1 l / \F i q . 7:
I n t e n s i t y p r o f i l e s w i t h i m i s a l i g n m e n t o f t h e m e a 3 a n d 4 o v e r l a p a n d h a v e s t r u c t u r e a n a l y s i s
'
C - - - t L - +,---
-(/ l
' ' l '
5 1 L - I - -3;--,L--,
l , r
n W(1DO). B e c a u s e o f s u r i n g w i n d o w p r o f i l e s
b e e n c o m b i n e d f o r t h e
F i q . 8:
I n t e n s i t y p r o f i l e s o f a W ( 1 0 0 ) p l a n e o b t a i n e d a f t e r f i e l d e v a p o r a t i o n i n h y d r o g e n
JOURNAL
DE
PHYSIQUES i n c e b a c k g r o u n d s u b t r a c t i o n c a n i n t r o d u c e e r r o r s e s p e c i a l l y i n c u r v e b t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t o f Pi,,,,,l- = 2 0 m u s t b e s e e n a s a n a p p r o x i - m a t e v a l u e o n l y .
We c o n c l u d e f r o m t h e s e e x p e r i m e n t s t h a t u s i n g a n e l e c t r i c f i e l d c a l - c u l a t e d f r o m a h a r d s p h e r e m o d e l o f t h e s u r f a c e a t o m s K i n g h a m ' s f o r m u l a r e n d e r s a s a t i s f a c t o r y d e s c r i p t i o n o f t h e f i e l d i o n i z a t i o n p r o b a b i l i t y a b o v e a s u r f a c e a t o m .
I n t e n s i t y M e a s u r e m e n t s w i t h i n D a r k A r e a s
N e g l e c t i n g g a s c o n c e n t r a t i o n v a r i a t i o n s o n e w o u l d e x p e c t f r o m a b o v e t h e o r y t h a t t h e i n t e n s i t y o f t h e d a r k a r e a s i n a FIM p a t t e r n i s o n l y o n e o r t w o o r d e r s o f m a g n i t u d e l o w e r t h a n t h a t a t t h e v i s i b l e p l a n e e d g e s . We h a v e r e c o r d e d i n t e n s i t y p r o f i l e s t h r o u g h t h e c e n t r e s o f p l a n e s w h i c h w e r e n o t r e s o l v e d i n d i r e c t o b s e r v a t i o n . F o r t h e m e a s u r e - m e n t s t h e w i n d o w o f t h e v i d e o s y s t e m c h o s e n a s a l o n g s l i t was a l i g n e d a l o n g t h e r o w s o f a t o m s o f a p l a n e a n d t h e n s t e p w i s e a d j u s t e d o v e r t h e v i s i b l e e d g e a t o m s s o t h a t t h e p o s i t i o n o f a t o m s w i t h i n o n e r o w c o u l d b e d e t e r m i n e d .
F i g . 5 s h o w s i n t e n s i t y p r o f i l e s w i t h i n a W ( 4 1 1 ) p l a n e a t 5 0 K . W h i l e t h e p h o t o g r a p h e x h i b i t s o n l y a m o r e o r l e s s d i f f u s e b a c k g r o u n d i n t h e c e n t r e o f t h e p l a n e t h e p r o f i l e s s h o w d i s t i n g u i s h a b l e p e a k s . M a r k i n g t h e i r p o s i t i o n i n t h e FIM p a t t e r n r e v e a l s t h e s t r u c t u r e o f t h e w h o l e W ( 4 1 1 ) p l a n e . D e v i a t i o n s f r o m t h e e x p e c t e d a t o m p o s i t i o n s a r e m a i n l y s e e n n e a r t h e e d g e d e f e c t . A t T = 30 K a l l a t o m s w i t h i n W ( 4 1 1 ) c o u l d b e i m a g e d ; p r o f i l e s w e r e r e c o r d e d f o r t e s t i n g t h e a c c u r a c y o f t h i s s t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n m e t h o d ( f i g . 6 ) . D e v i a t i o n s o f u p t o 0 . 5
fi
( p r o f i l e 2 ) f r o m t h e e x p e c t e d p o s i t i o n s a r e f o u n d .
F i g . 7 a n d 8 s h o w t h a t a l s o t h e W ( 1 0 0 ) p l a n e c o u l d b e r e s o l v e d b y t h i s m e t h o d . E v e n u n d e r n o n - i d e a l c o n d i t i o n s w h e r e t h e h y d r o g e n b a c k g r o u n d p r e s s u r e w a s q u i t e h i g h r e s u l t i n g i n a h i g h b a c k g r o u n d f r o m t h e c h a n n e l p l a t e t h e s t r u c t u r e i n f o r m a t i o n o f f i g . 8 h a s b e e n o b t a i n e d . I n g e n e r a l t h e s t r u c t u r e s o f t h e W ( 1 0 0 ) p l a n e s d e t e r m i n e d i n t h i s way s h o w m o r e d e v i a t i o n s o f t h e a t o m p o s i t i o n s f r o m t h e e x p e c t e d o n e s t h a n t h o s e o f t h e ( 4 1 1 ) p l a n e s . F o r a p r e c i s e s t r u c t u r e d e t e r m i n a t i o n , h o w e v e r , t h e S/N r a t i o w o u l d h a v e t o b e i m p r o v e d a n d t h e i n f l u e n c e o f t h e b a c k g r o u n d v a r i a t i o n o n p e a k p o s i t i o n s w o u l d h a v e t o b e t a k e n i n t o a c c o u n t .
T h e s e i n t e n s i t y m e a s u r e m e n t s i n d i c a t e a p o s s i b i l i t y t o p u s h t h e b o u n d a r y o f v i s i b i l i t y f u r t h e r i n t o t h e l o w i n t e n s i t y a r e a s o f a FIM p a t t e r n .
R e f e r e n c e s
[ l ] K . H e i n z a n d K . M u l l e r I n : S p r i n g e r T r a c t s i n M o d e r n P h y s i c s , V o l . 9 1 , B e r l i n 1 9 8 1
[ 2 1 Y . C . C h e n a n d D.N. S e i d m a n n , S u r f . S c i . 2 6 ( 1 9 7 1 ) 6 1
[ 3 ] H . H . H . H o m e i e r a n d D . R . K i n g h a m , J . P h y s . D : A p p l . P h y s . 1 6 ( 1 9 8 3 ) L 1 1 5
[ 4 ] R . H a y d o c k a n d D.R. K i n g h a m , S u r f . S c i . 1 0 3 ( 1 9 8 1 ) , 2 3 9