跨领域融合创新
与扫描探针技术结合:实现场发射-原子力联用成像
低温场发射显微镜:4K环境下研究量子限域效应
太空应用:ESA开发微型场发射显微镜用于空间站材料失效分析
研究方向
原位表征技术:集成气体注入系统实现催化反应实时观测(如Hiden Analytical的FEM-Reactor附件)
超快场发射:飞秒激光激发下的瞬态场发射动力学研究
机器学习辅助分析:采用卷积神经网络自动识别表面缺陷(识别准确率达92%)
表面吸附动力学研究
通过实时观测吸附原子在W(110)表面的迁移过程,测得Au原子的扩散激活能为0.8 eV,与理论计算误差<5%。实验中观察到台阶边缘对吸附原子的钉扎效应。
技术演进
1950年代:引入场离子显微镜(FIM),利用He+离子成像实现原子级分辨率
1980年代:结合质谱技术发展原子探针层析(APT)
21世纪:集成原位加热/冷却系统(温度范围4-1500 K)
成像原理
电子从针尖表面不同晶面发射时,由于功函数差异导致发射电流变化。这些电子经加速后轰击荧光屏,形成与表面原子排列对应的明暗图像。例如,钨(110)晶面因功函数较低呈现亮斑,而(111)晶面显示暗区。
场致电子发射的物理机制
当金属表面施加高强度电场(通常>10^7 V/cm)时,量子隧穿效应导致电子穿过表面势垒向外发射。该现象可用Fowler-Nordheim方程描述:
其中J为电流密度,E为电场强度,φ为功函数,β为场增强因子。场发射电流对曲率半径极为敏感,纳米级针尖可产生局部场增强效应。